FONDS COMMUN DE COOPÉRATION AQUITAINE / EUSKADI 2009 EKO

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1 FONDS COMMUN DE COOPÉRATION AQUITAINE / EUSKADI 2009 EKO Efficacité énergétique et confort dans la construction «Adaptation de la conception des bâtiments pour une optimisation du confort des usagers en réduisant la demande énergétique associée aux systèmes énergétiques Siège social 67 rue de Mirambeau ANGLET tél : fax : Site Ecocampus Esplanade des Arts et Métiers TALENCE tél : fax :

2 REGISTRE DES VERSIONS Référence Version Date Changements EKO VF1 06/07/2011 Document original Rédacteurs Relecture M Antoine DUGUE Mlle Caroline COSTE M Maxime HILAIRET M Frédéric BETBEDER Projet réalisé dans le cadre du Fonds Commun Aquitaine Euskadi 2009 soutenu par : Le Conseil Régional d Aquitaine Le Gouvernement Basque Rapport FinalPage 2/33

3 Sommaire Introduction... 5 I. Aspect Réglementaire La réglementation française Les normes françaises et internationales Certifications environnementales... 7 II. Définition du confort thermique III. Les méthodes de calculs, les modèles Le bilan énergétique Les paramètres Les indices de contraintes thermiques Conclusions IV. Sensibilité des modèles aux différents paramètres Température d air et température radiante Sensibilité du confort à l humidité relative Sensibilité du confort à la vitesse d air Sensibilité à l habillement Adaptabilité V. Utilisation du logiciel Design Builder, Energy Plus Présentation du logiciel Méthodologie de simulation Analyse de performance de systèmes à l aide de Design Builder EnergyPlus VI. Solutions qui permettent d améliorer le confort Conclusion Bibliographie Annexe Rapport FinalPage 3/33

4 Table des illustrations Figure 1 : confort d'hiver pour la cible 8 de la certification HQE... 7 Figure 2 : confort d'été pour la cible 8 de la certification HQE... 8 Figure 3 : Répartition des déperditions thermiques d une personne en fonction de la température ambiante Figure 4 : Influence du type de vitrage sur la température opérative Figure 5 : Graphe montrant la sensibilité de l'indice PMV à l'humidité relative pour différentes températures d'air Figure 6 : Graphe montrant la sensibilité de l'indice PMV à la vitesse d'air pour différentes températures d'air Figure 7 : montrant la sensibilité de l'indice PMV à l'indice d'habillement CLO pour différentes températures d'air Figure 8 : Zone de confort de Brager Figure 9 : Indices PMV au cours de l'année avec une variation brusque quand l'habillement change de valeur Figure 10: Installation des systèmes de chauffage pour chacun des locaux étudiés Figure 12 : Bâtiments Evalis servant de support à l'étude du confort Figure 13 : Comportement du bâtiment avec plancher chauffant du 1 au 8 janvier Figure 14 : Comportement du bâtiment avec convecteur 1 au 8 janvier Figure 15 : Résultats pour le plancher chauffant dans le diagramme de Brager Figure 16 : Résultats pour le convecteur dans le diagramme de Brager Tableau 1: Valeurs du métabolisme pour différentes activités Tableau 2: Valeurs du coefficient d'habillement pour différents types de vétement Tableau 3 : Indice PMV Rapport FinalPage 4/33

5 Introduction Au cours des dix dernières années, nous avons assisté à une croissance démographique importante, due à un fort impact environnemental et économique. La prise de conscience récente sur l impossibilité de maintenir l actuel modèle de développement urbanistique nous amène à élaborer de nouvelles méthodes pour minimiser l impact de la construction sur l environnement. En parallèle, les exigences croissantes sur la qualité de vie dans les bâtiments ont amené au développement d un nouveau concept dans la conception des bâtiments : le CONFORT Les avancées technologiques permettent de réaliser aujourd hui des bâtiments ayant des besoins énergétiques divisés par deux par rapport aux bâtiments des années 70. Cependant, la climatisation, le chauffage et la production d eau chaude sanitaire représentent encore le quart de la consommation énergétique européenne et par la même, des émissions de CO2. Le maintien du confort des usagers est, de nos jours, encore trop associé à des consommations énergétiques élevées. Ainsi, il paraît important de développer des méthodologies et des techniques permettant de maintenir un niveau de confort acceptable pour les usagers, sans recourir à de fortes consommations énergétiques, réduisant ainsi les émissions de gaz à effet de serre. Enfin la notion de confort est aujourd hui uniquement associée à la température intérieure. L hygromètre est un objet rare dans les logements alors que le thermomètre y est omniprésent. L humidité des locaux résidentiels ou tertiaire est pourtant un paramètre à la fois de confort et de qualité sanitaire de l air. L objectif poursuivi dans le présent projet est donc d orienter la conception des bâtiments vers des bâtiments «zéro émissions» tout en maintenant en hiver comme en été un haut niveau de confort, ciblé sur la température et l humidité intérieur. Rapport FinalPage 5/33

6 I. Aspect Réglementaire 1. La réglementation française Code du travail Dans le code du travail, hygiène sécurité et conditions de travail : - Art L et R : l ambiance thermique de travail est un des facteurs à prendre en compte dans l évaluation de risque annuel. Les articles R et R du code du travail imposent que «les équipements et caractéristiques des locaux de travail et locaux annexes doivent permettre d adapter la température à l organisme humain pendant le temps de travail compte tenu des méthodes et contraintes physiques supportées par les travailleurs.» La Réglementation Thermique française. La réglementation thermique définit un ensemble de critères que doivent respecter l ensemble des nouveaux bâtiments construits. Parmi celles ci les plus remarquables portent sur la consommation d énergie du bâtiment, ainsi une qualité d isolation minimale de chaque paroi et ainsi du bâtiment est obligatoire, il y a aussi obligation de résultat sous la forme de consommation d énergie maximale autorisée. Celle ci propose aussi un calcul visant à définir le confort d été dans un bâtiment. Celui ci est présenté telle que : Le calcul de l'évolution des températures intérieures d'un groupe de zones est mené sur une journée chaude de référence au pas de temps horaire et corrigé par un effet séquentiel. Le calcul est mené sur 7 jours en commençant le lundi avec une température initiale de masse de 26 C. Pour le résidentiel, on retient les résultats du 7e jour et pour les autres cas du 5e jour (vendredi). Il faut noter que ce calcul est intégré dans les logiciels de Réglementation Thermique comme ClimaWin ou Peyrenoud et ainsi réalisé pour chaque nouvelle construction. Ainsi il faut que la température d inconfort calculé par le logiciel selon la réglementation soit inférieure à une valeur de référence. Cette température d inconfort est définie de la manière suivante : - Dans le résidentiel, Tic est la valeur maximale des températures opératives obtenues pour toute la journée (24 h). - Dans le non résidentiel, Tic est la valeur maximale des températures opératives obtenues en période d occupation. 2. Les normes françaises et internationales Les normes ISO 7243 et ISO 7933 sont mentionnées dans le code du travail articles L et R Voici un ensemble de normes abordant le thème du confort de l usager dans un bâtiment. - NF EN X Ambiance chaude. Estimation de la contrainte thermique de l homme au travail basée sur l indice WBGT. - NF EN X Appareils et méthodes de mesure des grandeurs physiques. - NF EN X (ISO ) : Ambiances thermiques chaudes. Détermination analytique et interprétation de la contrainte thermique fondées sur le calcul de la sudation requise. Rapport FinalPage 6/33

7 - NF EN X ISO Ergonomie des ambiances thermiques. Détermination de l isolement thermique de la résistance à l évaporation d une tenue vestimentaire. - ISO Ergonomie des ambiances thermiques Détermination analytique et interprétation du confort thermique par le calcul des indices PMV et PPD et par des critères de confort thermique local o o Inconfort Général :PMV et PPD. Formules. Equations. Inconfort local : courant d air, Différence verticale de la température de l'air, sols froids ou chauds, asymétrie de température de rayonnement 3. Certifications environnementales La certification HQE prend en compte le confort hygrothermique, c est la huitième des 14 cibles. Comme propose à cette certification, il y a trois niveaux pour atteindre la cible, le premier base, ensuite performant, ensuite très performant. Dans les documents édités par l association HQE, des tableaux présentant les différents points correspondant à ces niveaux sont détaillés. A titre d exemple voici deux des quatre tableaux correspondants à la cible 8 : confort hygrothermique, ceux ci étant le confort d hiver et le confort d été. Figure 1 : confort d'hiver pour la cible 8 de la certification HQE Rapport FinalPage 7/33

8 Figure 2 : confort d'été pour la cible 8 de la certification HQE Rapport FinalPage 8/33

9 II. Définition du confort thermique. La notion de confort est complexe. Elle correspond à une sensation de bien être par rapport à un sens. C est pourquoi on parle de confort visuel, confort acoustique, confort olfactif et celui qui nous intéresse dans cette étude le confort thermique qui est à associer au sens du toucher. On notera que le confort se définit surtout par opposition à l inconfort : on l oppose à la sensation de froid, à la sensation de chaleur, à celle d humidité, de sécheresse de l air. On répondra mieux à la question : avez vous froid ou chaud? que : sentez vous bien thermiquement? En effet le confort traduit l activité que doit fournir le corps humain pour arriver à un équilibre. C est sa réponse aux conditions extérieures. Plus celle ci est faible, plus il y aura confort. Et les notions de froid ou chaud traduisent l activité du corps. La température de l air n est pas le seul paramètre physique affectant le confort thermique des individus, l humidité de l air, la vitesse du déplacement de l air ambiant, les températures des surfaces environnantes sont les principaux. A ceux ci s ajoute le caractère psychologique, toutes les personnes ne ressentent pas le confort de la même façon. A une condition donnée, certains diront souffrir de chaleur, alors que d autres se sentiront bien. Et enfin, celui ci est variable dans le temps, et variable dans l espace. A quel moment l étudier, dans quels lieux? Au moment où le but est de réduire au maximum les consommations d énergie des bâtiments, il faut garder à l esprit que l objectif principal d un bâtiment est d assurer des conditions de confort pour les utilisateurs afin qu ils réalisent au mieux leurs activités. Il faut donc à la fois optimiser le confort tout en cherchant à diminuer les consommations énergétiques. Pour ceci, il faut définir un modèle de confort. Nous présenterons les normes faisant intervenir le confort, les modèles et leurs spécificités Rapport FinalPage 9/33

10 III. Les méthodes de calculs, les modèles 1. Le bilan énergétique Bilan thermique Le confort thermique repose sur l équilibre thermique de l individu, autrement dit de la stabilité de la température corporelle (de 37 C). Bilan thermique : À l équilibre on a : M W=L Avec, - M : production de chaleur métabolique - W : travail mécanique fourni à l extérieur - L : les pertes par chaleur entre l individu et l environnement extérieur - Q res : perte de chaleur latente et sèche par respiration par les voies respiratoires - Q c : perte de chaleur par convection entre la peau et l air ambiant - Q r : perte de chaleur par rayonnement entre la peau et l environnement extérieur - E rsw : perte de chaleur latente par sudation au niveau de la peau - E diff : perte de chaleur par diffusion au niveau de la peau Il faut noter que l on se ramène toujours à l équilibre thermique mais en plus ou moins de temps. L indicateur principal est donc la réponse que doit fournir le corps pour se ramener à cet équilibre. Plus elle est faible, plus on s approche de la position de confort. La réponse de l individu va être propre à chacun et dépendra de la perception des variations thermique. 2. Les paramètres Les paramètres influant sur le bilan thermique sont les suivants (paramètres physiques et variables humaines qui peuvent être mesurés) On distingue les variables climatiques : Température de l air, Ta (ou température ambiante) Température moyenne de rayonnement, Tr Vitesse de l air, Va Humidité de l air, w Et les variables physiologiques : La production de chaleur métabolique, M (norme AFNOR X35205) Facteurs liés à l isolement des vêtements, Fcl (norme ISO 9920) : isolement thermique, résistance à l évaporation. La température de la peau et la température interne Le taux de production d humidité (transpiration) Adaptation de l homme à la chaleur Le confort est également défini par la capacité de l individu à s adapter aux variations de chaleur. La thermorégulation de l individu peut se décliner en deux types de mécanismes : physiologiques et comportementaux. Rapport FinalPage 10/33

11 Les mécanismes physiologiques se caractérisent par : La fréquence cardiaque La sudation Le frissonnement Vasoconstriction/vasodilatation des vaisseaux sanguins Les facteurs influençant ces deux paramètres (et qui seront différents d un individu à l autre) sont : l acclimatement, l entraînement physique, l âge, le sexe, le poids, le régime alimentaire et la prise de médicaments. Les mécanismes comportementaux sont : - Ajouter ou enlever des «épaisseurs» de vêtement. Donc augmenter ou diminuer la résistance thermique des vêtements. - Le métabolisme souvent noté M Figure 3 : Répartition des déperditions thermiques d une personne en fonction de la température ambiante Le métabolisme traduit l activité du corps, sa production métabolique. Il peut être exprimé en W/m² ou être ramené à une valeur de référence, et s exprimé en met avec 1 comme valeur pour une activité de repos, assis. Rapport FinalPage 11/33

12 Tableau 1: Valeurs du métabolisme pour différentes activités - L habillement C est l isolement thermique apporté par les vêtements. L habillement influe sur le terme de convection : plus il est élevé, plus il limite les échanges, mais aussi le terme d échanges radiatifs, là aussi les vêtements de par le fait qu ils couvrent la peau limitent les échanges radiatifs. L isolation des vêtements peut se trouver dans la norme ISO Tableau 2: Valeurs du coefficient d'habillement pour différents types de vétement Rapport FinalPage 12/33

13 3. Les indices de contraintes thermiques De nombreux indices de contraintes ont été proposés, à savoir : Les indices globaux calculés à partir des paramètres thermiques intégrés au niveau de l appareil de mesure : le WBGT (Wet Bulb Globe Temperature, Yaglou et Minard 1957), le WGT (Wet Globe Temperature, Botsford 1971) et l indice de Minier (Mas 1990) Les indices analytiques empiriques déterminés à partir des paramètres primaires (Ta, Va, Th, Tg, Pa) au moyen d abaques : ET (Température Effective, Yaglou 1927), le P4SR (Predicted Four Hour Sweat Rate, Mc Ardle, 1947) et To (Température Opérative) Les indices analytiques basés sur le bilan thermique, déterminés à partir de paramètres primaires et des équations mathématiques du bilan thermique. On peut les séparer en deux grandes classes, ceux qui réalisent un bilan thermique à un nœud (interface peau air) et ceux qui se basent sur un bilant thermique à deux nœuds (interface corps peau puis interface peau vêtement). Le HSI (Heat Stress Index, Belding et Hatch 1955), l ITS (Index of Thermal Stress, Givoni 1963), le PMV PPD (Fanger, 1972) sont des indices à un nœud. SET New Standard Effective Temperature (Gagge, 1967), PET (Physiological Equivalent Temperature, Hoppe, 1993), les modèles de KSU (Kansas State University) et de la fondation Pierce qui donne un indice type PMV sont tous basés sur un bilan à deux nœuds. La température opérative C'est la température d un local fictif, assimilé à un corps noir à température uniforme, dans lequel un occupant échangerait la même quantité totale d énergie (radiative et convective) que dans le local réel. Elle est donnée par l expression 1 Avec : T air la température de l air T r : la température radiante moyenne h, coefficient de pondération entre les échanges convectifs et les échanges radiatifs Pour la température radiante moyenne, on considère une personne située au milieu de la pièce, et c est alors la moyenne des températures de surface pondérées par leurs surfaces. Le plus souvent le coefficient de pondération h est pris égal à 0,5. La température opérative est alors la moyenne des températures d air et radiante. L indice WBGT Norme ISO 7243 Cet indice peut estimer le caractère tolérable d une situation de travail à la chaleur et fixe les cycles de travail et de repos en vue de réduire les contraintes. Il se calcul en fonction de la température du globe noir, Tg et de la température humide naturelle, T hn selon la relation : WBGT 0,7* Thn 0,3 * Tg Rapport FinalPage 13/33

14 Il définit une température limite de travail suivant le métabolisme et l acclimatement de l individu pour une tenue de travail ordinaire de 0,6 clo. Lorsque la température dépasse le WBGT, un repos doit être accordé. Remarque : La température de globe n est représentative de la température radiante que dans des conditions stables. De plus il est difficile de mesurer la température opérative (peut varier selon la hauteur). En pratique, l indice WBGT sert au dépistage de situations à risque de contrainte thermique ; si le résultat du WBGT est supérieur à 25 C la situation doit être analysée de façon plus approfondie. La Température Opératoire ou température opérative Norme américaine ASHRAE Cette norme définit les conditions dans lesquelles 80% des personnes en bonne santé sont dans une situation confortable. Elle se base sur la même notion du confort thermique que la théorie de Fanger (bilan thermique équilibré, production de sueur limitée et température de peau limitée). Elle est utilisée pour l évaluation du confort dans une situation de travail, en particulier sédentaire. L ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers) spécifie les normes de confort du corps dans son ensemble en termes de température opératoire, To. Cette température tient compte de la température de l air, du rayonnement thermique et de la vitesse de l air (jusqu à 0,15 0,2 m/s). Elle prend donc à la fois en compte les effets convectifs et radiatifs. Elle fournit donc les plages de température opératoire et d humidité acceptables pour des personnes portant des vêtements d été ou d hiver habituels et effectuant un travail léger, sédentaire. Elle considère également que la température opératoire peut augmentée jusqu à 3 C au dessus de la zone de confort lorsque la vitesse de l air dépasse 0,2 m/s. De plus la To ne peut pas varier de plus de 0,5 C à l heure. L ASHRAE propose aussi des critères sur les conditions environnementales du confort thermique local telles que l asymétrie de la température de rayonnement ou la température des planchers. Mais celles ci sont difficile de mesurer (nécessité d appareils spéciaux). Norme ISO 7730 et indices PMV et PPD Cette norme internationale reprend la théorie de FANGER selon laquelle trois conditions doivent être définies pour qu une personne soit en situation confortable : Un bilan thermique équilibré (iso 7730) Une évaporation sudorale située dans les limites du confort (iso 7933) Une température moyenne de peau située dans les limites du confort Il faut calculer le métabolisme du corps sous les contraintes climatiques et physiologiques, de la valeur du métabolisme en considérant que l on est à l équilibre ; on obtient le PMV (Predicted Mean Vote). Les recherches menées sur le thème du confort, ont permis de développer des modèles mathématiques qui simulent la réponse métabolique de l occupant dans un environnement donné. On peut alors se situer sur une échelle comme la suivante : Rapport FinalPage 14/33

15 Sensation Description 3 Chaud 2 Tiède 1 Légèrement Tiède 0 Neutre 1 Légèrement Frais 2 Frais 3 Froid Tableau 3 : Indice PMV Les paramètres physiques peuvent être évalués grâce à la norme ISO 7726, qui décrit les différents capteurs à utiliser et recommande certaines procédures de mesures. Deux autres modèles du même type existent et sont utilisés dans le logiciel Energy Plus, Pierce et KSU. Ce sont des modèles à deux nœuds, alors que Fanger est à un seul nœud. En effet Fanger considère les échanges entre le corps et l extérieure. Alors que Pierce et KSU séparent le corps humain en deux parties, le noyau et la peau et définit des échanges entre les deux. Ils aboutissent à des valeurs un peu différentes pour le métabolisme et donc pour le PMV. 4. Conclusions Le confort thermique a été défini et on a vu qu il correspond à un bilan thermique réalisé sur un individu. Ce bilan faisant intervenir un grand phénomène il peut être simplifié et écrit de nombreuses façons, c est pourquoi il existe différentes indices visant à caractériser le confort. On peut classer ces modèles en deux grandes catégories : les indices globaux et les indices analytiques. Dans la suite du rapport, nous allons étudier de plus près un de chaque et nous allons plus particulièrement étudier leurs sensibilités à différentes variables et leurs applications dans des cas de simulation. Rapport FinalPage 15/33

16 IV. Sensibilité des modèles aux différents paramètres Comme on a vu dans la partie précédente différents paramètres entrent en compte dans les différents modèles de confort thermique. - les paramètres d ambiance : température d air, humidité de l air, vitesse de l air - les paramètres locaux : les températures de surface et leurs émissivités des matériaux associés - les paramètres propres aux personnes : l habillement CLO, le métabolisme lié à l activité Et il faudrait rajouter l aspect subjectif lié à la perception du confort thermique, ainsi la couleur de l environnement, l état d esprit de la personne peuvent impacter sa réponse quant à son sentiment de confort. Nous allons donc isoler chacun de ces paramètres pour voir l influence qu il a sur les modèles de confort retenus. L analyse se fera dans un premier temps au niveau théorique, c'est à dire sans avoir recours à un logiciel, mais seulement aux équations définissant ces modèles puis en utilisant le logiciel Design Builder. On prendra l indice de Fanger comme modèle de référence car c est le plus abouti et qu il est défini par rapport au confort physiologique. 1. Température d air et température radiante Déjà, on peut se demander si ces deux températures peuvent être très différentes dans la réalité et si cela a une influence sur le confort. On considère une salle fortement vitrée qui a un thermostat basé sur la température d air de 20 C et une température extérieure faible. On a donc une température d air d exactement 20 C, alors que la température des vitrages va être faible. Si la salle est complètement vitrée latéralement on aurait Tr=4/6*Tvitrage + 2/6*Tair (il y a en effet 4 surfaces latérales vitrées et le plafond et le plancher que l on peut considérer à la température d air). Ainsi si la température de vitrage est basse (ce qui est très liée à la résistance thermique du vitrage), on a une température radiative bien inférieure à la température d ambiance, et donc une température opérative là aussi bien inférieure. Si la salle est parfaitement isolée, la température des surfaces serait aussi de 20 C, et la température opérative, égale aux températures radiantes et d air. On voit bien avec ces deux cas, que la température d air ne suffit pas à caractériser le confort thermique. C est ce que l on appelle souvent l effet de paroi froide qu il faut aussi prendre en compte. En régime permanent, la relation donnant la température du vitrage en fonction de sa résistance thermique est : Avec : - R i la résistance thermique du vitrage ou U vitrage son inverse. - T int et T ext les températures intérieures et extérieures Pour une température extérieure de 0 C, une température intérieure de 20 C. Une résistance thermique intérieure et extérieure données par la RT et valant respectivement 0,05 et 0,13, la seule variable est alors la température de vitrage. Rapport FinalPage 16/33

17 Influence du type de vitrage sur la température opérative 25 Température de surface du vitrage T_vitrage T_op T_air Transmissivité thermique du vitrage Figure 4 : Influence du type de vitrage sur la température opérative Un travail avec seulement la température d air est donc insuffisant. Une équipe américaine (Newham and Tiller, 1995) a réalisé un ensemble d enquête auprès de gens pour évaluer au mieux la sensibilité des paramètres. Ainsi l enquête menée auprès de 32 personnes à qui l on demandait de situer leurs sentiments de confort sur l échelle PMV (cf Tableau 1) comparait ces résultats avec la température opérative relevée et l indice PMV calculé. Les conditions étaient alors fixées : activité de 70W/m² et l indice d habillement 0,78±0,21clo. Le coefficient de corrélation de la régression linéaire de premier degré liant le vote PMV à la température opérative est très élevé (0,97), ce qui traduit bien le fort lien entre température opérative et le confort. Mais est ce que la température opérative suffit à traduire le confort? Pour une température opérative fixée, quelle est l impact de la vitesse d air sur le confort, de l humidité relative de l air 2. Sensibilité du confort à l humidité relative C est dans le terme d échange par évaporation qu elle entre en compte dans le bilan énergétique réalisé au niveau du corps. Les échanges par évaporation de la sudation ont lieu à la surface de la peau à travers les vêtements. Ils dépendent de la sudation SW et des propriétés d'échanges de vapeur d'eau vers l'extérieur à travers les vêtements. Höppe (1993) propose d'estimer la sudation en fonction des températures de la peau et du corps. Mais cette sudation est conditionnée par un terme d évaporation maximale à la surface de la peau. En effet, plus l environnement est humide, plus il sera difficile pour le corps d évaporer de l eau. C est ce qui fait que dans une ambiance chaude et humide, alors que la sudation devrait être grande, le Rapport FinalPage 17/33

18 terme d évaporation maximale est faible, et le corps ne peut réguler correctement sa température ce qui crée un sentiment d inconfort. Une expérience a été conduite par l université de Waseda au Japon (Tsutstumi, 2006) pour évaluer l effet de l humidité sur le confort et sur la productivité sous des conditions changeantes entre un état chaud et humide à un environnement neutre thermiquement. Deux chambres adjacentes ont été utilisées, les sujets étaient exposés à un couple 30 C/70%RH dans la chambre 1 pendant 15mn avec une activité métabolique de 2 met (c'est à dire deux fois plus importantes qu à l état de repos). Puis ils ont été déplacés dans la chambre 2, où 4 conditions d humidité ont été examinées (30, 40, 50 et 70%RH). La température de l air a été ajustée de façon à ce que la valeur du SET (modèle de Gagge) reste constante. Un effet positif d une faible humidité sur le confort donné par les sujets a été relevé. Ceci est du au fait que le corps a plus de possibilité de régulation par évaporation. De manière générale le lien entre humidité et sentiment de confort semble faible aux valeurs d humidités relatives moins extrêmes. Cependant on note un inconfort plus grand quand l humidité relative est à 70% le corps ayant du mal à réguler. Figure 5 : Graphe montrant la sensibilité de l'indice PMV à l'humidité relative pour différentes températures d'air On peut constater que la sensibilité est globalement faible, mais on remarquera cependant qu elle est deux fois plus grande à 30 C qu à 20 C. Ceci est logique, comme dit précédemment, c est le terme de perte de chaleur par sudation qui dépend le plus de l humidité de l air. Quand la température est élevée, le corps a tendance à réguler sa température par sudation, hors plus le taux d humidité est élevé, plus la sudation est difficile. 3. Sensibilité du confort à la vitesse d air La vitesse d air impacte les échanges par convection entre la peau et l air. Comme la température de peau est presque toujours plus haute que la température extérieure, le terme convectif est un terme négatif, c'est à dire de refroidissement. Ainsi elle entraine un effet de froid. C est pourquoi la sensation de température est d autant plus élevée que la vitesse d air est lente, et inversement, quand la vitesse d air est plus conséquente, la température d air perçue est plus faible. Rapport FinalPage 18/33

19 Ainsi quand la température est élevée, ce rafraichissement améliore le confort alors que quand la température est faible, il le dégrade. Figure 6 : Graphe montrant la sensibilité de l'indice PMV à la vitesse d'air pour différentes températures d'air Le courant d air La gêne par courant d air peut être exprimée par le pourcentage prévisible de la population se déclarant dérangé par ce courant d air. Elle peut être calculée à partir de l équation suivante : 34 0,05, 0,37 3,14 Avec I tur, l intensité locale de turbulence, 10 à 60%, avec 40% comme valeur par défaut. Le modèle s applique aux sujets dont l activité est légère, essentiellement sédentaire, et dont la sensation thermique est proche de la neutralité pour le corps entier, pour prédire une éventuelle gêne par courant d air au niveau du cou. 4. Sensibilité à l habillement Ici il s agit de vérifier l impact de l indice d habillement sur le bilan thermique. On a vu que celui ci influençait différentes équations (échange convectif et radiatif notamment). On fixe donc les autres Rapport FinalPage 19/33

20 variables et on regarde pour différentes températures d air la variation du PMV en fonction de l indice CLO. On précise que un indice de 0,4 correspond à un habillement très léger (short et tee shirt) et que l indice 1,4 correspond lui à un habillement épais. Autres paramètres fixés égaux à : Met=1.2; Wme=0; Va=0,1; HR=0.6; Figure 7 : montrant la sensibilité de l'indice PMV à l'indice d'habillement CLO pour différentes températures d'air Logiquement, lorsque la température est faible, la sensibilité à l indice d habillement est grande. Et on voit que diminuer l habillement pour une température élevée n est pas suffisant pour atteindre une sensation de confort. On peut à partir de ce graphe définir quel est l habillement idéal dans ces conditions. C est l abscisse du point d intersection entre la courbe considérée et la droite y=0. Ainsi pour Ta=22 C, l habillement adapté est de 1. Alors que pour Ta=26 C, l habillement doit être inférieur à 0,4. 5. Adaptabilité Il faut noter que les modèles présentés se basent sur une analyse statique. C'est à dire, à un moment donné, les valeurs que prennent les différents paramètres à cet instant servent à évaluer le confort. Les états précédents ne sont pas pris en compte. L ambiance thermique est cependant très souvent Rapport FinalPage 20/33

21 variable et se pose alors la question de l applicabilité de ces méthodes. La norme EN ISO 7730 propose trois types de condition variable qui peuvent se présenter : cycles de température, dérives ou rampes de température et fluctuations transitoires. o Cycles de températures : Ils peuvent résulter du contrôle de la température dans un local. Si l amplitude de variation reste inférieure à 1 K, il n y aura pas répercussion sur le confort. Des variations plus importantes peuvent dégrader le confort. o Dérives ou rampes de température : Si la vitesse de changement de la température propre à une dérive ou à une rampe est inférieure à 2 K/h les méthodes relatives aux ambiances stationnaires s appliquent. o Fluctuations transitoires Un saut de température opératoire est instantanément ressenti. S il est vers le haut, la nouvelle sensation thermique correspond au calcul du PMV. Si le saut est vers le bas, la sensation thermique est dans un premier temps plus faible que le calcul du PMV, puis remonte vers la valeur du PMV calculée. On peut aussi rajouter des critères supplémentaires liés à l adaptabilité en fonction des conditions extérieures. Ainsi la méthode de Brager repose sur le fait que la plage de confort dépend de la température extérieure. Selon cette méthode le taux d inconfort des occupants est basé sur le rapport du nombre d heures d inconfort où le couple (Température opérative (Top), Température extérieure (Text)) est à l extérieur de la zone de confort, et le nombre d heures total en période d occupation. La zone de confort à prendre en compte est la zone de confort BRAGER (cf. ci dessous représentation de la zone BRAGER) :, 100 Avec : - H occ : nombre d heures d occupation où le couple (Top, Text) est à l extérieur de la zone de confort Brager en [heures] ; - H occ,t : nombre d heures total d occupation en [heures] ; - T op : Température opérative en [ C] évaluée heure par heure qui tient compte de la température de l air, du rayonnement thermique et de la vitesse de l air ; - T ext : Température extérieure en [ C] évaluée heure par heure. Rapport FinalPage 21/33

22 Figure 8 : Zone de confort de Brager Le taux d inconfort est alors souvent limité à 8%. On note cependant que pour chaque couple placé sur le graphe la réponse à la condition de confort est binaire : le couple est soit dans la zone, et on considère qu il y a confort, soit il est en dehors de la zone et alors il n y a pas confort. On pourrait alors définir un ensemble de zones de Brager à la manière de l indice PMV, une zone centrale avec un confort élevé, puis deux autres bandes de part et d autre correspondant à un confort moyen et l extérieur serait alors une zone d inconfort. Rapport FinalPage 22/33

23 V. Utilisation du logiciel Design Builder, Energy Plus. 1. Présentation du logiciel Le logiciel Design Builder s appuie sur l outil de simulation thermique dynamique (STD) Energy Plus développé par le département à l énergie des Etats Unis. Ainsi Design Builder est une interface plus aisée pour réaliser des simulations du comportement énergétiques du bâtiment. Comme tous les logiciels de STD ce couple Design Builder Energy Plus sert d abord à évaluer un besoin ou une consommation d énergie d un bâtiment mais aussi à évaluer le confort des usagers dans le bâtiment. Energyplus est un des logiciels de STD les plus aboutis permettant notamment d intégrer la prise en compte des systèmes de chauffage ou de rafraichissement en plus du calcul de besoin. Il calcule aussi différents paramètres permettant d évaluer le confort thermique mais aussi des algorithmes permettant de traiter ces données. Ainsi nous pouvons dresser la liste des paramètres calculés et ceux qui ne le sont pas parmi ceux qui sont couramment utilisés pour évaluer le confort. Paramètre Température d air Température radiante Température opérative Humidité de l air CLO Vitesse d écoulement de l air Métabolisme PMV Calculé Calculé Calculé Peut être calculé, mais le plus souvent fixé Données d entrée que l on peut faire évoluer sur l année Imposé égale à 0,137 m/ selon ASHRAE Défini par l utilisateur 3 types d indice Il faut remarquer que les algorithmes de calcul du PMV sont proposés rendant l outil particulièrement intéressant pour l analyse du confort. Cependant, comme plusieurs des variables rentrant en compte dans l algorithme sont soit fixes soit des données d entrée fixées par l utilisateur, l intérêt est alors plus relatif. Les variables calculées restant sont les températures d air et températures radiantes. La température opérative traduisant les deux est alors un indicateur pertinent du confort de l usager. Pour illustrer le fait qu il est délicat de se fier aux valeurs données du PMV, on peut voir sur la figure plus bas, le fait que le jour de l année où l habillement CLO change, les valeurs de PMV (de Fanger tout particulièrement) évoluent très fortement. Ceci démontre que la sensibilité à un paramètre que l utilisateur maitrise mal est grande. Rapport FinalPage 23/33

24 Figure 9 : Indices PMV au cours de l'année avec une variation brusque quand l'habillement change de valeur 2. Méthodologie de simulation La simulation thermique dynamique a pour but de fournir une méthode qui permette l amélioration du comportement du bâtiment en termes de consommation d énergie et de confort de l usager. Ainsi elle sert avant tout à faire des études comparatives : on étudiera deux solutions architecturales différentes ou deux systèmes différents sous l angle de l impact sur la consommation d énergie et du confort de l usager. On peut ainsi travailler de manière relative pour obtenir un bâtiment plus économe en énergie pour des conditions de confort élevées. Cependant ceci pose un problème méthodologique. En effet, la minimisation d une variable de sortie ici que ce soit l énergie consommé ou l inconfort que l on peut par exemple chiffrer en heure par rapport à de multiples paramètres d entrée est une chose relativement aisée, mais la minimisation des deux variables à la fois est beaucoup plus complexe. Pour définir une méthodologie adaptée, il est possible alors de fixer une limite de confort, et de la définir comme une contrainte. Par exemple que le nombre d heures où la température est supérieure à 26 c soit inférieur à une valeur défini comme une entrée. Pour prendre en compte l évolution sur l année, il est possible de rapporter les données de température opérative sur le graphe de la zone de Brager, méthode qui plus simple que le calcul d un indice PMV traduit mieux l évolution de la plage de confort sur l année. Ainsi il est possible de limiter le nombre d heures en dehors de la zone de Brager pour l année entière. 3. Analyse de performance de systèmes à l aide de Design Builder EnergyPlus L idée est ici de comparer différents systèmes de chauffage et de voir si à même consommation il y a un impact sur la sensation de confort de l usager. Pour réaliser les simulations nécessaires, on se base sur les deux petites maisons en bois situées sur la parcelle du bâtiment de Nobatek à Anglet. Celles ci ont en effet été construites de manière à réaliser des essais comparatifs. C est dans cette Rapport FinalPage 24/33

25 idée qu on les utilise ici, en mettant un système de chauffage sur l un et un autre sur la suivante. Il serait alors possible de réaliser le test à l échelle 1 en installant réellement un système de plancher chauffant dans une des deux et en comparant avec l autre déjà munie d un convecteur. Une présentation plus détaillée se trouve en annexe. Pour mettre en avant l importance des parois, la façade sud est ici complètement vitrée. Caractéristique de l étude Dans le cadre de l étude sur le confort nous avons étudié l impact de deux systèmes de chauffages différents : - Système de chauffage par convection - Système de chauffage par plancher chauffant Figure 10: Installation des systèmes de chauffage pour chacun des locaux étudiés Pour effectuer des simulations comparatives de ces deux systèmes nous avons utilisé comme modèle les deux bâtiments d Evalis qui sont identiques. Figure 11 : Bâtiments Evalis servant de support à l'étude du confort Rapport FinalPage 25/33

26 Les caractéristiques de simulation sont les suivantes : - Température de consigne : 20 C - Température de pilotage des chauffages : Température d air - Fichier du climat de Saint Sébastien (ESP) - Ventilation de 1,5 vol/h - Baie vitrée au sud est (en double vitrage) - L occupation et les apports internes sont les mêmes dans les deux cas - Le chauffage est actif de façon continue sans ralentis nocturne Résultats Plus bas, les résultats des simulations sur une semaine du mois de janvier. On peut voir l évolution des températures ainsi que le bilan énergétique sur l enveloppe. Figure 12 : Comportement du bâtiment avec plancher chauffant du 1 au 8 janvier Rapport FinalPage 26/33

27 Figure 13 : Comportement du bâtiment avec convecteur 1 au 8 janvier Pour les consommations, si on considère que l efficacité des systèmes est la même alors les consommations le sont aussi. En effet, les besoins sont calculés à partir d un bilan énergétique sur l enveloppe à chaque heure, comme la température d air est la même dans les deux cas, les pertes et donc les besoins sont les mêmes. Analyse du confort Dans notre cas l indicateur de confort choisi est la température opérative. Les courbes précédentes nous montrent clairement que pour une température d air maintenue à 20 C dans les deux cas nous obtenons une température opérative plus forte dans le cas du chauffage par plancher chauffant que dans celui par convecteur. Cet écart est du au fait que le plancher chauffant émet la chaleur de façon radiative (par rayonnement) alors que le convecteur émet de façon convective. Rapport FinalPage 27/33

28 Figure 14 : Résultats pour le plancher chauffant dans le diagramme de Brager Figure 15 : Résultats pour le convecteur dans le diagramme de Brager Une simulation annuelle pour chacun des systèmes de chauffage permet de mettre en évidence une répartition différente des nuages de point pour chacun des systèmes de chauffage. Pour le système convectif les heures d inconfort qui se traduisent par un pointe en dehors des limite définis par les limites supérieures et inférieures de la zone de Brager sont au nombre de 1492 soit Rapport FinalPage 28/33

29 16,9% alors qu avec le plancher chauffant il y a seulement 0,4 % d heures d inconfort (soit 37 heures). Ces résultats nous montrent que pour une même température d air on obtient une différence de confort en fonction du système de chauffage et plus particulièrement de son mode d émission de chaleur. Ici on voit que le chauffage radiant est plus efficace en terme de confort que le chauffage par convection. Il faut rajouter que pour un système de rafraichissement le résultat est le même. VI. Solutions qui permettent d améliorer le confort On entend ici par solutions les systèmes énergétiques comme les choix architecturaux ou même la méthodologie de travail qui vont dans le sens de l amélioration de la qualité de confort du bâtiment. L effet de paroi froide. Nous avons présenté cet effet dans le paragraphe IV.1 qui est lié à des températures de parois froides. Premièrement, pour des parois opaques isolées, l emplacement de l isolation a un impact minime sur cet effet. En fait, on le retrouve surtout pour les parois vitrées qui ont une résistance thermique faible. C est pourquoi un double vitrage limite fortement cet inconfort comparativement à un simple vitrage. Il faut noter que la condensation superficielle que l on peut retrouver du côté intérieur d un vitrage est liée à cet effet. Là aussi les risques sont nettement plus grands avec un simple vitrage. La sensation de chaud ou froid au contact avec un matériau est caractérisée par l effusivité. En effet deux surfaces à températures différentes échangent d autant plus de chaleur que l effusivité des matériaux est grande. Ainsi les matériaux dits chaud au toucher sont des matériaux à faible effusivité car la chaleur allant de la main vers le matériau (la température de la main est ici considérée la plus élevée) est faible, ce sont les matériaux comme le bois, les isolants Au contraire, les métaux, les minéraux ont une effusivité élevée. Les matériaux à effusivité élevées sont utiles pour augmenter l inertie d un bâtiment, par contre, ils sont moins agréables pour la sensation de toucher (surtout en hiver), et les matériaux à faible effusivité étant peu utiles pour l inertie sont par contre plus agréable au toucher. Humidité de l air En général, dans un bâtiment neuf dans des conditions que l on peut qualifier de classique, l humidité de l air n est pas un problème. Cependant, elle l est l hiver dans des locaux anciens dégradant ainsi la sensation de confort. La réhabilitation énergétique passant par une meilleure étanchéité à l air du bâtiment et des systèmes maitrisés (extraction d air avec un système de chauffage) permet le renouvellement de l air et d abaisser l humidité relative de l air car celui ci est chauffé. L étanchéité là aussi minimise la consommation d énergie. Ceci montre que ces deux problèmes ne sont pas distinctes ni identiques, mais bien dépendant l un de l autre : la réflexion doit toujours être double. Courant d air Là aussi, dans la partie sur l étude de sensibilité aux variables, nous avons présenté ce phénomène. Sa particularité est alors qu en hiver c est une source d inconfort, en été, au contraire il permet de l améliorer. Rapport FinalPage 29/33

30 Ainsi un système installé pour améliorer le confort l été peut être gênant l hiver ou plus simplement un système mal mis en place sera source d inconfort l hiver. Un exemple simple est celui du chauffage par ventilation : tout bâtiment a un système pour le renouvellement de son air. En hiver, l air neuf arrivant de l extérieur et donc à une température relativement basse, (même après un échangeur double flux ou un premier système de chauffage) ne doit pas être soufflé près des usagers des bâtiments. Ainsi le réseau de soufflage et en particulier les bouches de ventilation doivent être placés en prenant en compte ce point. Dans des zones chaudes sans système de rafraichissement, ce courant d air peut être obtenu par deux manières distinctes. La première repose sur l utilisation d un système brassant l air tel un ventilateur. D après la figure 3 pour la sensibilité du PMV à la vitesse d air on voit qu un tel courant d air a bien un effet bénéfique non négligeable. L autre solution est le recours à la ventilation naturelle de telle manière à renouveler l air et rendre celui ci mobile. L article «la ventilation naturelle peut elle assurer le confort d été?» paru le 17/06/2011 sur le site de la revue Le Moniteur présente bien cette solution. On retient en particulier qu il n y a pas de solutions particulièrement meilleures que les autres, mais qu il faut bien travailler au cas par cas. Inconfort d été Il faut ici distinguer les constructions que l on peut qualifier d anciennes aux constructions récentes. En effet, ces dernières se caractérisent par de bonnes isolations et une étanchéité élevée, le chauffage du bâtiment est assuré à faible coût et permet d atteindre une température de confort de 19 ou 20 C. Cependant, souvent l été si il n y a pas de système de rafraichissement (si il y en a un, il peut être considéré comme une surconsommation inutile), la problématique du confort d été se pose car un bâtiment fortement isolé ayant des apports de chaleur conséquents peut se transformer en accumulateur de chaleur. Ainsi pour les bâtiments neufs on peut présenter la méthode de réflexion pour assurer le confort dans le bâtiment : il s agit de peu consommer l hiver et d éviter l inconfort lié à de hautes températures l été. De cette manière le problème est en partie découplé. Il s agit d assurer un bâtiment avec une forte isolation muni d un système de renouvellement d air associé à un échanger double flux de manière à limiter les pertes de chaleur liées au renouvellement, et les apports solaires l été doivent être maitrisés de manière à éviter les surchauffes. Le rôle de l usager Enfin, au delà des systèmes et des choix architecturaux, l usager joue un grand rôle dans la consommation énergétique d un bâtiment. Un bâtiment bien que «bien construit» et donc nécessitant en théorie de faibles apports énergétiques, peut s avérer très peu efficace si les usagers l utilisent mal. On peut dire qu un bâtiment vient avec un mode d utilisation optimale et l usager doit le suivre. Une centrale de traitement d air associée à un échangeur double flux n est efficace que si l étanchéité du bâtiment est élevée et que toute la rénovation d air se fait par cette centrale. Si l usager laisse des fenêtres ouvertes pour assurer le renouvellement d air, alors la solution n est pas efficace ce qui engendre des surconsommations d énergie. Ensuite, c est l usager du bâtiment qui fixe le besoin par les thermostats qu il choisit. Un degré de plus ou de moins entraine des variations de la consommation d énergie. L usager peut jouer sur ses couches vestimentaires pour améliorer son propre confort thermique avant d utiliser les systèmes de chauffage ou de rafraichissement. Rapport FinalPage 30/33

31 Conclusion Cette étude a mis en avant le fait que la sensation de confort est complexe à définir car elle dépend d un grand nombre de facteurs qu ils soient inhérents à la personne au sens physiologique ou psychologique ou ceux traduisant l ambiance de la zone dans laquelle il se situe. Il est alors normal de trouver un grand nombre d indices définis de telle manière à caractériser la sensation de confort. Après ce constat l étude s est alors centrée sur deux d entre eux, l indice PMV de Fanger et la température opérative. On a vu que dans le cadre de l utilisation d outil de simulation du comportement énergétique de bâtiment il était plus aisé d utiliser la température opérative comme indice car l indice de Fanger quoi que intégrant un plus grand nombre de variable est plus difficile à étudier de par sa complexité et sa trop grande dépendance à l habillement. Enfin on a défini alors une méthode basée sur la zone de Brager pour étudier le confort sur une année dans un bâtiment. Cette méthode a été appliquée pour l étude comparative de deux systèmes de chauffage dans un cas concret. On voit alors bien qu un chauffage radiatif au sol est plus efficace en terme de confort qu un chauffage convectif. Rapport FinalPage 31/33

32 Bibliographie M.V. Jokl et K. Kabele, Optimal (Comfortable) operative temperature estimation based on physiological responses of the human organism. «Ambiance thermique modérée. Détermination des indices PMV et PPD et spécifications des conditions de confort thermique». Norme française homologuée. NF EN ISO Indice de classement X Association française de normalisation (AFNOR), 1995, 40 p. «Ambiance chaude. Estimation de la contrainte thermique de l homme au travail basée sur l indice WBGT». Norme française homologuée. NF EN ISO Indice de classement X Association française de normalisation (AFNOR), 1994, 14 p. «Ergonomie des ambiances thermiques. Détermination analytique et interprétation de la contrainte thermique fondées sur le calcul de l'astreinte thermique prévisible». Projet de norme. PR NF EN ISO Indice de classement X PR. Association française de normalisation (AFNOR), 2003, 78 p. Notice détaillée des algorithmes de Energy plus. Fanger, Thermal comfort. Analysis and applications in environmental engineering, 1970 Pigeon G., «Calcul d'un indice thermique du corps humain», projet ANR Vurca, McIntyre, D. A guide to thermal comfort. Applied ergonomics 4, no. 2 (June 1973): Brager, G S, and R De Dear. Center for the Built Environment Climate, Comfort, & Natural Ventilation : A new adaptive comfort standard for. Ashrae Standard (2001). Bartkevičius, S., R. Račkien.e, and Ja Virbalis. Analysis of the Energy Balance in the System Human Clothing Environment. ktu.lt 7, no. 7 (2008): _Analysis of the Energy Balance in the System Human %E2%80%93 Clothing %E2%80%93 Environment.pdf. Tsutsumi, H, S Tanabe, J Harigaya, Y Iguchi, and G Nakamura. Effect of humidity on human comfort and productivity after step changes from warm and humid environment. Building and Environment 42, no. 12 (December 2007): Rapport FinalPage 32/33