Cet article s’adresse aux ingénieurs et aux architectes et permet d’aborder les mécanismes de thermorégulation du corps humain et l’efficacité des ventilateurs de plafond pour maintenir le confort thermique.
La thermorégulation du corps humain
Le confort thermique peut se définir comme la satisfaction de l’occupant (« confort ») avec la température perçue (« thermique ») de son environnement. Cette satisfaction dépend de la quantité de chaleur libérée ou retenue par le corps de l’occupant. Le transfert de chaleur vers et depuis le corps se produit de quatre manières. Voici ces méthodes répertoriées par ordre décroissant de quantité de transfert de chaleur dans des conditions standard.
• Radiation
Il s’agit du transfert de chaleur via des ondes électromagnétiques entre des objets qui ne se touchent pas. La forme la plus familière de transfert de chaleur radiante est l’énergie radiante du soleil. Cependant, la radiation à ondes longues vers les surfaces environnantes est également un mécanisme primaire de perte de chaleur du corps humain.
• Convection
Le transfert de chaleur entre une source solide et un fluide, dans ce cas entre la peau et l’air, est d’une ampleur similaire au transfert de chaleur par rayonnement dans des conditions standard (air immobile). La quantité de perte de chaleur du corps par convection dépend de la vitesse de l’air, car cela affecte directement le taux de transfert de chaleur par convection de la peau. L’air immobile agit comme un isolant, avec une convection se produisant uniquement en raison de l’effet de flottabilité induit par la différence de température entre la peau (ou les vêtements) et l’air environnant. Avec l’augmentation de la vitesse de l’air, cela donne lieu à une convection forcée, permettant à plus de chaleur d’être libérée.
• Évaporation
L’évaporation est la perte de chaleur par le changement de phase de la transpiration du liquide à la vapeur. Le changement de phase nécessite de l’énergie sous forme de chaleur extraite de la peau, refroidissant le corps lorsque la transpiration s’évapore. Le taux d’évaporation dépend de l’humidité de l’air environnant, l’air plus sec pouvant absorber plus d’humidité par évaporation.
• Conduction
La conduction représente le transfert de chaleur entre des objets en contact. La sensation de refroidissement est responsable de la plus petite part de perte de chaleur du corps. C’est ce qu’on peut ressentir, par exemple, en marchant pied nu sur une surface froide lorsqu’il fait chaud.
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Facteurs du confort thermique
La norme américaine ASHRAE 55 – Conditions environnementales thermique pour l’occupation humaine – identifie six facteurs qui affectent le confort thermique :
- Taux métabolique – le taux de transformation de l’énergie chimique en chaleur et en travail mécanique, basé sur le niveau d’activité. Par exemple, le corps génère plus de chaleur en marchant qu’en restant assis.
- Isolation vestimentaire – l’effet isolant des vêtements empêchant la perte de chaleur du corps. Par exemple, un short et un t-shirt à manches courtes permettent plus de perte de chaleur du corps que des pantalons et un pull épais.
- Température de l’air – la température de l’air.
- Température moyenne radiante – la température moyenne des surfaces entourant un certain point, pondérée par l’angle que cette surface forme lorsqu’elle est vue de ce point.
- Vitesse de l’air – la vitesse de l’air.
- Humidité relative – la quantité d’humidité contenue dans l’air.
Comment les brasseurs d’air de plafond permettent d’atteindre les objectifs de confort thermique
Les brasseurs d’air de plafond augmentent la vitesse de l’air, et une vitesse de l’air accrue accélère deux des mécanismes de transfert de chaleur décrits ci-dessus : la convection et l’évaporation. Ainsi, les ventilateurs de plafond accélèrent la perte de chaleur du corps, procurant une sensation de fraîcheur. La sensation de fraîcheur due à une vitesse de l’air accrue permet au corps de maintenir un confort thermique à des températures de l’air plus élevées que ce qui serait confortable dans un air immobile.
En plus de fournir du confort à des températures plus élevées, les ventilateurs de plafond sont capables de fournir des effets de confort instantanés que les ajustements du thermostat ne peuvent pas offrir. Un thermostat et un système de CVC qui conditionnent toute la pièce prennent généralement 15 minutes ou plus avant que l’occupant ne perçoive un changement dans son environnement thermique. Cependant, un ventilateur de plafond a un effet presque instantané. Si un occupant a trop chaud, allumer ou augmenter la vitesse d’un ventilateur de plafond procure instantanément une sensation de fraîcheur. De même, si un occupant a trop froid et que le ventilateur fonctionne, réduire la vitesse du ventilateur de plafond ou l’éteindre procure instantanément une sensation de chaleur.
Les brasseurs d’air de plafond sont également parfaitement adaptés pour fournir un confort adaptatif ou transitionnel pour des conditions de confort humain changeantes. Ajuster les vitesses des ventilateurs de plafond peut aider à accommoder les fluctuations naturelles de la température corporelle et des préférences de confort tout au long de la journée. De même, la nature réglable des ventilateurs de plafond peut fournir un confort thermique amélioré pendant les moments de transition, tels que les besoins de confort changeants lors de la transition d’un événement de taux métabolique actif (par exemple, après avoir marché d’une réunion dans une autre partie du bâtiment, ou être arrivé au travail après un trajet matinal) à un taux métabolique de repos (comme s’asseoir à un bureau), ou simplement en raison de différentes exigences de confort thermique personnelles des occupants dans le même espace physique.
Afin de déterminer la quantité de mouvement d’air nécessaire pour le confort thermique et la satisfaction des occupants, nous pouvons nous référer à la norme ASHRAE 55 et à l’Outil de Confort Thermique CBE.
Norme ASHRAE 55 : Conditions environnementales thermiques pour l’occupation humaine
La norme ASHRAE 55 – Conditions environnementales thermiques pour l’occupation humaine – identifie des facteurs qui peuvent affecter le confort thermique dans un environnement intérieur et comment la satisfaction des occupants est affectée lorsque ces facteurs sont modifiés. La norme fournit également des méthodes pour déterminer les valeurs optimales de chacun des facteurs afin de créer un environnement confortable.
La norme 55 décrit à la fois une méthode graphique et une méthode analytique pour déterminer les zones de confort thermique acceptables. Dans la méthode graphique de la zone de confort (Section 5.3.1 de la norme), les zones de confort sont représentées sur un graphique en fonction des taux métaboliques des occupants et des niveaux d’isolation vestimentaire. En utilisant les conditions de l’espace, telles que la température et l’humidité, il peut être déterminé si l’espace se situe dans la zone de confort des occupants. Cependant, cette méthode ne peut être utilisée que lorsque les taux métaboliques des occupants et les niveaux d’isolation vestimentaire se situent dans une certaine plage et ne tient pas compte des changements de zone de confort dus à une vitesse de l’air accrue.
La méthode analytique de la zone de confort (Annexe normative B) peut être utilisée pour une gamme plus large de caractéristiques des occupants. La méthode de confort analytique calcule un vote moyen prévu (PMV) basé sur une combinaison de facteurs de confort thermique. Le PMV est un indice qui prédit le vote moyen de sensation thermique dans un grand groupe de personnes sur une échelle de -3 (froid) à 3 (chaud), où un score de 0 serait considéré comme parfaitement confortable. En utilisant cette méthode, un PMV entre -0,5 et 0,5 doit être obtenu pour être conforme à la norme ASHRAE 55.
Calculs de confort thermique avec vitesse d’air élevée
La norme 55 fournit également une méthode appelée Confort à Vitesse de l’Air Élevée (Section 5.3.3. de la norme) pour calculer le confort thermique dans des situations de vitesse de l’air élevée. Cette méthode utilise une combinaison de la Méthode de Zone de Confort Analytique combinée à la méthode de Température Effective Standard (SET) (Annexe normative D de la norme). Étant donné que l’augmentation de la vitesse de l’air a un effet de refroidissement, la méthode calcule les températures de l’air et radiantes ajustées en fonction de la façon dont les occupants sont censés se sentir dans des conditions de vitesse de l’air accrue pour calculer une nouvelle valeur de PMV. La sortie « Température Effective Standard » (SET) traduit les 6 facteurs de confort thermique (ci-dessus) en une seule température équivalente. Le SET fournit une métrique unique qui peut être comparée dans une variété de conditions de confort.
L’effet de refroidissement est également utilisé pour calculer l’efficacité du ventilateur (CFE). Le CFE est défini dans la norme ASHRAE 216, actuellement en développement, comme le rapport de l’effet de refroidissement à la puissance d’entrée du ventilateur. Le CFE donne aux gens un moyen normalisé de comparer la quantité de refroidissement fournie par un ventilateur lorsqu’il consomme la même quantité d’énergie.
Outil de confort thermique CBE
Un outil utile pour trouver des zones de confort à des vitesses de l’air élevées selon la méthodologie de l’ASHRAE 55 est l’Outil de Confort Thermique CBE, un outil en ligne développé par le Center for the Built Environment de l’Université de Californie à Berkeley.
L’utilisateur saisit la température, la vitesse de l’air, l’humidité, le taux métabolique et le niveau de vêtements dans l’outil pour calculer des résultats, notamment le PMV, le SET et la conformité à l’ASHRAE 55, ainsi que pour générer le graphique ci-dessous dans la Figure 8. La zone ombrée en bleu représente la zone de confort conforme à l’ASHRAE 55, tandis que la marque rouge montre où les entrées de l’utilisateur se situent par rapport à la zone de confort. L’outil prend également en charge la norme de confort internationale ISO EN 16798.
L’Outil de Confort Thermique CBE prend également en compte les vitesses de l’air élevées. À mesure que les vitesses de l’air augmentent, la plage de températures acceptables augmente, et la zone ombrée en bleu se déplace vers la droite. En utilisant des vitesses de l’air plus élevées, l’utilisateur peut être conforme à l’ASHRAE 55 à des points de consigne de température de refroidissement plus élevés. Notez que la norme 55 fixe une vitesse d’air moyenne maximale autorisée dans le cas où les occupants n’ont pas le contrôle sur le système (0,8 m/s). Cela peut également être spécifié comme une entrée dans l’Outil de Confort Thermique. Pour prendre en charge cette fonctionnalité, les utilisateurs peuvent également sélectionner le mode « vitesse de l’air vs. température de l’air opérante » dans le menu déroulant au-dessus du graphique pour visualiser la plage de confort et les résultats en termes de vitesse de l’air et de température, comme illustré dans la Figure 9 ci-dessous.
Ventilateurs de plafond pour la déstratification en mode chauffage
En plus de refroidir directement les occupants, les brasseurs d’air de plafond mélangent également efficacement l’air dans un espace, ce qui présente plusieurs applications. L’application la plus courante est la déstratification, lorsque les températures dans un espace sont stratifiées, avec de l’air beaucoup plus chaud près du plafond et de l’air plus frais près du sol.
Cela se produit généralement dans des espaces avec des plafonds élevés ou lorsque l’équipement de chauffage à une température de décharge relativement élevée. Dans ces conditions, les ventilateurs de plafond peuvent mélanger l’air dans l’espace de sorte que la température au sol (et près de l’emplacement du thermostat) soit proche de la température moyenne dans l’espace.
Cela permet d’économiser de l’énergie et également d’améliorer le confort des occupants.
Notez que lors de la déstratification, l’espace fonctionne généralement en mode chauffage et fonctionne à l’extrémité inférieure de la plage de températures qui définissent la zone de confort thermique. Il est donc très important de maintenir des vitesses d’air très faibles dans la zone occupée afin d’éviter la sensation de courant d’air.
