III.1 Introduction
Après avoir décrit les principaux phénomènes mis en jeu dans cette étude, nous nous attachons dans ce chapitre à comparer les performances des quatre stratégies de ventilation décrites au chapitre II.2.2, en réalisant une analyse multicritère et en utilisant des méthodes de classification standardisées et statistiques. Le but est ainsi de proposer à la fin la (ou les) stratégie(s) de ventilation la (les) plus adaptée(s) aux bâtiments scolaires, c'est-à-dire celle satisfaisant au mieux les exigences environnementales et de confort décrites au chapitre I, tout en limitant les dépenses énergétiques. Les analyses statistiques utilisées auront également pour but de définir par une autre méthode que celle employée au chapitre II, les principaux facteurs décrivant l’ambiance.
Thèse Adrien Dhalluin - 142 - Université de La Rochelle III.2 Hypothèses et conditions aux limites
Pour comparer les performances des quatre modes de ventilation selon les deux configurations décrites dans le Tableau II.2, les conditions climatiques et les taux d’occupation des salles doivent être similaires. Les valeurs extérieures moyennes des températures d’air, taux d’humidité relative, concentrations en PM10 et rayonnement global ainsi que du nombre d’occupants pendant les périodes d’occupation, sont données dans le Tableau III.2. Pour chacune des deux saisons étudiées (été et hiver), nous constatons que les conditions climatiques et le nombre d’occupants sont très similaires pour l’ensemble des modes de ventilation et d’autant plus pour les deux modes d’une même configuration. Les comparaisons intra configuration auront donc davantage de légitimité que les comparaisons sur les quatre modes de ventilation en même temps. Entre 57h et 82h d’occupation des salles pour chaque mode de ventilation ont ainsi été sélectionnées.
Paramètres
Configuration 1 Configuration 2
VMC (250 m3/h) + SOS VMC (250 m3/h) + VN SOS seul VN seule
Saisons été hiver été hiver été hiver été hiver
Text (°C) Moy (σ) 18,9 (3,8) 5,5 (3,8) 18,8 (3,0) 5,3 (4,1) 16,3 (3,3) 8,6 (3,6) 16,2 (3,2) 8,9 (2,4) HRext (%) Moy (σ) 62,1 (14,7) 83,4 (7,1) 60,6 (14,6) 83,1 (7,4) 68,2 (13,1) 82,1 (7,7) 64,2 (12,8) 82,1 (8,3) PM10ext (µg/m3) Moy (σ) 13,2 (3,1) 13,0 (2,9) 16,4 (4,5) 16,1 (3,7)
Rg (W/m2) Moy 424 307 435 295 591 284 585 298
nb d’occupant Moy (σ) 22,0 (9,4) 17,1 (3,5) 20,6 (8,6) 15,7 (4,6) 17,0 (6,3) 14,3 (2,9) 16,8 (4,5) 15,9 (2,7) Tableau III.1 : Conditions climatiques et d’occupation
III.3 Approche QEI
Cette section présente les résultats obtenus sur les principaux paramètres de la QEI pour chaque stratégie de ventilation lors des saisons chaudes et froides. A commencer par le taux de renouvellement d’air (TRA) dont les valeurs dépendent du type de système de ventilation mais également de l’utilisation des ouvrants. Les autres paramètres seront présentés sous forme de fréquences cumulées, ce qui facilitera les comparaisons entre stratégies en visualisant ainsi rapidement les valeurs extrêmes (min/max), médiane, et à forte fréquence d’apparition. Les niveaux de bruit n’ont fait l’objet que de mesures ponctuelles et ne sont pas ici présentées.
III.3.1 Taux de renouvellement d’air et utilisation des ouvrants
Le Tableau III.2 donne les TRA calculés à partir des concentrations en CO2 pour chaque mode de ventilation et montre de fortes disparités. Elles sont liées à l’utilisation ou non de la ventilation mécanique qui assure un débit de ventilation permanent et à l’utilisation plus ou moins fréquente des éléments de ventilation naturelle (ouverture de la porte et des fenêtres).
Thèse Adrien Dhalluin - 143 - Université de La Rochelle Paramètres
Configuration 1 Configuration 2
VMC (250 m3/h) +
SOS VMC (250 m3/h) + VN SOS seul VN seule
Saisons été hiver été hiver été hiver été hiver
Elément d’ouverture
(%)
Aucun <1 33 18 74 5 26 27 74
Porte seule 2 6 4 25 5 12 10 26
Porte et fenêtres 37 0 30 0 19 0 17 0
Fenêtres et/ou porte 97 61 78 1 90 62 63 0
TRA (vol/h)
Moy (σ) 8,5 (3,6) 6,3 (3,9) 7,2 (3,9) 3,6 (2,1) 6,0 (2,9) 3,2 (1,7) 4,2 (4,1) 0,9 (0,5)
TRA (l/p/s)
Moy (σ) 20,0 (7,7) 15,3 (9,3) 19,3 (8,4) 9,5 (5,7) 15,3 (8,7) 8,9 (4,9) 11,5 (10,9) 2,6 (1,5)
Mediane 16,9 10,1 16,7 6,1 11,6 5,6 6,2 2,2
Tableau III.2 : Types d’ouverture et taux de renouvellement d’air rencontrés pour chaque mode de ventilation a. Période été
En été, l’utilisation manuelle des fenêtres pour ventiler naturellement est très fréquente (entre 63% et 78% du temps d’occupation) et plus fréquente en configuration 1 (ventilation mixte) car les températures extérieures étaient plus chaudes (Tableau III.2).
Les temps d’ouverture de fenêtre du système SOS, greffé ou non à une ventilation mécanique, sont logiquement très élevés (respectivement de 97% et 90% pour les configurations 1 et 2), du fait de la ventilation hygiénique automatique en cas d’occupation. La moitié des cas où les fenêtres ne se sont pas ouvertes en configuration 2 (soit 5% du temps d’occupation) sont dus à une fermeture de sécurité liée aux conditions climatiques (pluie soutenue ou vent fort). Le reste des cas provient d’une mise en mode manuel volontaire des occupants (entre 2% et 4% selon le mode de ventilation) ou de coupures d’alimentation du système, volontaires ou accidentelles (environ 1% du temps).
Les débits de ventilation rencontrés en été pour les quatre modes de ventilation sont satisfaisants du point de vue des recommandations nationales (5 l/p/s), puisque les valeurs moyennes des TRA oscillent entre 11,5 et 20 l/p/s (valeurs médianes entre 6,2 et 16,9 l/p/s). Les TRA les plus élevés sont obtenus pour les modes mixtes (configuration 1) et sont les plus faibles pour le mode « VN seule ».
L’ouverture des portes comme unique élément de ventilation a été très peu observée en été (moins de 10% du temps d’occupation), pour l’ensemble des modes de ventilation. La ventilation par simple exposition (« single-sided ventilation ») est de loin la plus fréquente, la « ventilation traversante » (porte et fenêtres ouvertes) représentant tout de même entre 17% et 37% selon les modes.
b. Période hiver
En hiver, les occupants n’ouvrent quasiment jamais les fenêtres manuellement (moins de 1% du temps d’occupation) pour des raisons de confort thermiques, malgré des potentiels de ventilation plus importants qu’en été avec le climat de La Rochelle (tirage thermique et effets du vent plus importants).
Les fenêtres du système SOS sont restées ouvertes entre 61% et 62% pendant la période de cours. La
Thèse Adrien Dhalluin - 144 - Université de La Rochelle fermeture des fenêtres pendant les cours est majoritairement liée (plus de 30% du temps) à l’action des occupants (et/ou du professeur) qui pilote manuellement le système. D’après les retours d’enquêtes, cette action fait généralement suite à un inconfort provoqué par les courants d’air froid. Dans une moindre mesure, cette fermeture est liée aux conditions climatiques (5% du temps) ou au disfonctionnement du système (moins de 2% du temps) provoqué par des coupures de courant (par inadvertance ou réseau).
L’ouverture des portes a été plus fréquente en hiver qu’en été, notamment pour les modes avec ouverture manuelle des fenêtres « VN » (plus de 25 % du temps contre moins de 10% en été) pour pallier au manque d’apport d’air neuf. Par ailleurs, à aucun moment une « ventilation traversante » ne s’est produite entre les fenêtres et la porte, pour éviter d’accentuer les courants d’air froids liés à la température extérieure (d’après certains retours d’enquêtes).
Les TRA observés en hiver sont restés satisfaisants malgré l’utilisation restreinte des fenêtres et des angles d’ouvertures plus petits pour les fenêtres pilotées par le système SOS. Ils oscillent en moyenne entre 2,6 et 15,3 l/s/p (valeurs médianes entre 2,2 et 10,1 l/p/s) et sont une nouvelle fois les plus élevés pour les modes mixtes et les plus faibles pour le mode « VN seule ». Ce dernier mode est le seul à présenter un TRA « insuffisant » (< 5 l/p/s) plus de la moitié du temps d’occupation.
Le comportement des occupants vis-à-vis des ouvrants (automatiques ou non) diffèrent selon la saison et le système de ventilation mis à disposition. Le chapitre IV.4.2 sera par ailleurs consacré à l’étude des facteurs influant sur l’ouverture des fenêtres. Ces différents renouvellements d’air ont une influence sur les scores obtenus sur les autres paramètres mesurés, chose que nous étudions ci-après.
III.3.2 Période été
Les paramètres relatifs au confort thermique (Tair, Top, HR, vitesse d’air, gradient vertical de température), visuel (niveau d’éclairement) et à la qualité de l’air (Concentrations en CO2, PM10, PM2.5 et PM1) pour la période été et hiver sont regroupés sur la Figure III.1.
Comme nous l’avons constaté au chapitre II.3.5, la salle équipée du système SOS bénéficie d’un net rafraichissement en période chaude par rapport à l’autre salle (ouverture manuelle des fenêtres), entre 1,5 et 2°C en moyenne, conséquence du rafraichissement passif nocturne et du contrôle des stores et des fenêtres en journée. Les valeurs médianes de température opérative pour les modes avec SOS sont respectivement de 23,4°C (sans VMC) et 24,6°C (avec VMC) contre 26,7°C et 27°C pour les modes avec ouverture manuelle (respectivement sans et avec VMC).
Ce rafraichissement produit par le système SOS est légèrement plus important en configuration 2 qu’en configuration 1 car les températures extérieures étaient plus faibles (16,2°C contre 18,8°C en moyenne). Si les températures extérieures avaient été beaucoup plus chaudes, jusqu’à empêcher le rafraichissement passif nocturne notamment, la ventilation hygiénique imposée par SOS aurait eu tendance à réchauffer davantage la salle que si les fenêtres avaient été fermées. Il serait intéressant d’étudier le comportement du système SOS dans un climat très chaud, ce qui n’est pas le cas de La Rochelle.
Les valeurs d’humidité relative sont similaires pour les quatre modes de ventilation et comprises entre 20% et 70% plus de 95% du temps d’occupation (100% du temps pour les modes mixtes), ce qui est
Thèse Adrien Dhalluin - 145 - Université de La Rochelle satisfaisant. Elles sont toutefois d’autant plus faibles que les températures sont élevées, sauf pour le mode « VN seul » qui par rapport aux modes mixtes fait entrer de l’air plus humide (cf. Figure II.21).
Le système SOS permettant un renouvellement d’air plus important dans la salle de classe qui en est équipée et donc un brassage de l’air plus important, les gradients verticaux y sont plus faibles (d’environ 0,5°C) que dans l’autre salle de classe.
Les vitesses d’air restent très faibles au niveau du mât de mesure (< 0,15 m/s 97% du temps), quelque soit le mode de ventilation. La présence de diffuseurs circulaires sur les bouches de soufflage de la VMC et la forme de la surface d’ouverture des fenêtres basculantes (« side-pivot window ») permettent en effet une diffusion assez homogène de l’air dans la salle.
Malgré l’utilisation du store extérieur, les niveaux d’éclairement des deux modes « avec SOS » sont proches des niveaux mesurés dans l’autre salle de classe et sont pour plus de 45% du temps supérieurs aux 300 lux minimum recommandés [AFE, 1998]. Ces faibles écarts s’expliquent par une utilisation très fréquente des rideaux intérieurs salle 216 pour limiter les gains solaires. D’après les retours d’expérience, les faibles niveaux d’éclairement obtenus lorsque le store de SOS se déploie ont été bien acceptés par les occupants. Ils se sont adaptés sans pour autant utiliser davantage la lumière artificielle que dans l’autre salle, car ils ont compris que c’est un élément passif de rafraichissement. L’utilisation des luminaires apparait dans les deux salles uniquement en tout début et fin de journée, lorsque le niveau d’éclairement naturel est trop faible.
La répartition en fréquences cumulées des concentrations en PM10, PM2.5 et PM1 montre que les occupants de la salle équipée du système SOS, notamment avec le mode « SOS seul », sont les plus exposés aux fortes concentrations particulaires. Cela s’explique par l’ouverture quasi permanente des fenêtres avec ce système. En effet, pour les trois granulométries de particule, les concentrations sont d’autant plus élevées que le renouvellement d’air est important, surtout lorsqu’il se fait par ouverture des fenêtres. Ainsi, malgré des TRA plus importants, les modes mixtes (« avec VMC ») présentent des concentrations particulaires plus faibles que le mode « SOS seul ». La présence de filtres dans la CTA et des concentrations extérieurs plus élevées pour la configuration 2 en sont les principales causes. Ces observations concordent avec celles faites au chapitre II.4.1.
Dans tous les cas, les concentrations recommandées par l’OMS sur 24h (25 µg/m3 pour les PM2.5 et 50 µg/m3 pour les PM10) ne sont toutefois que rarement dépassées : moins de 4% du temps pour les PM10
et jusqu’à 8% du temps pour les PM2.5, seulement pour le mode « SOS seul ».
Malgré des concentrations particulaires légèrement plus élevées avec le système SOS, son utilisation permet d’atténuer les fortes concentrations en CO2 rencontrées en fin de cours, de 100 à 300 ppm, par rapport aux modes « avec VN ». Les différences observées entre les différentes stratégies de ventilation sur ce paramètre sont cohérentes avec les TRA mesurés : les plus faibles concentrations en CO2 sont obtenues avec les modes mixtes (configuration 1), pour lesquels le seuil de 1000 ppm n’est jamais atteint. Pour les modes de ventilation naturelle (configuration 2), les concentrations dépassent ce seuil moins de 35% du temps et n’excèdent pas 1750 ppm pour le mode « VN seule», ce qui reste raisonnable.
Thèse Adrien Dhalluin - 146 - Université de La Rochelle III.3.3 Période hiver
Comme illustré sur la Figure III.1, les différences de températures d’air et opérative observées en hiver sont très faibles pour les quatre modes de ventilation, malgré des TRA et pourcentage d’ouverture de fenêtre très différents. Ces faibles écarts s’expliquent par la mise en mode manuelle du système par les occupants lors des périodes les plus froides mais aussi l’utilisation accrue (entre 35% et 60%
supplémentaires) du chauffage par les radiateurs dans la salle de classe équipée de SOS. Au final, les températures opératives ont été comprises entre 19°C et 25°C près de 85% du temps pour l’ensemble des modes de ventilation, ce qui correspond à moins de 15% de personnes insatisfaites prévues d’après la norme thermique [EN ISO 7730, 2007]. Cependant, les températures opératives ont tout de même chutées jusqu’à 16°C pour tous les modes (une fois à 14,3°C pour le mode « SOS seul »).
Peu de différences sont constatées au niveau des gradients verticaux de température même si ils sont un peu plus importants pour le mode le moins ventilé (« VN seule »).
Comme pour la période été, les vitesses d’air sont faibles (< 0,15 m/s) et ne sont pas représentatives des temps d’ouverture de fenêtre.
L’humidité relative est comprise entre 20% et 70% plus de 90% du temps d’occupation des salles pour tous les modes de ventilation et jusqu’à 100% pour le mode « VN seule ». Elle est nettement plus importante avec les modes de ventilation naturelle malgré des conditions hygrométriques extérieures identiques pour les deux configurations. Cela s’explique par des TRA plus faibles et donc une moins bonne évacuation de la vapeur d’eau produite par les occupants mais aussi et surtout des flux d’air entrant plus humides qu’avec la VMC où l’air soufflé est chauffé.
Les niveaux d’éclairement mesurés en hiver sont comparables à ceux mesurés en été malgré des niveaux d’éclairement extérieur plus faibles. Il a été maintenu à plus de 300 lux entre 60% et 75% du temps selon le mode de ventilation. L’utilisation restreinte des stores extérieurs de SOS salle 217 et du rideau intérieur pour limiter les apports solaires, mais également une utilisation accrue de la lumière artificielle, en sont les causes. Cependant, d’après les retours d’expériences plusieurs situations d’éblouissement liées au soleil rasant d’hiver et l’apparition de courants d’air froids causés par la ventilation hygiénique salle 217 ont déclenché le déploiement du rideau intérieur (cf. chapitre II.3.5 sur le fonctionnement réel de SOS). Il est toutefois difficile de dire si la lumière artificielle a été plus utilisée dans la salle équipée de SOS ou non.
L’analyse de la QAI en hiver montre une nette augmentation des concentrations en CO2 par rapport à la période chaude qui s’explique par des TRA par personne plus faibles (diminution de 15% à 68%) notamment pour les modes de ventilation naturel (Tableau III.2). On observe ainsi fréquemment des dépassements de seuil (1000 ppm) pour les deux modes « SOS seul» et « VN seule », respectivement 60% et 87% du temps d’occupation, contre seulement 20% et 38% pour les mêmes modes associés à la VMC. Un écart de 1000 ppm environ sur les concentrations maximales atteintes entre les modes de la configuration 1 et 2 souligne le gain apporté par la VMC en hiver sur les concentrations gazeuses.
Comme en été, l’utilisation de l’ouverture automatique des fenêtres (SOS) plutôt qu’une ouverture manuelle, implique une diminution des concentrations en CO2 de 300 ppm à 700 ppm mais aussi une augmentation des concentrations particulaires. Toutefois, les concentrations seuil en PM10 et PM2.5 ne sont dépassées qu’avec le mode « SOS seul », moins de 6% du temps d’occupation.
Thèse Adrien Dhalluin - 147 - Université de La Rochelle
SUMMER WINTER
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"(1068C1+B32191)(
6&61 )(1!7
Thèse Adrien Dhalluin - 148 - Université de La Rochelle Figure III.1 : Fréquences cumulées des paramètres de QEI pour la période chaude (à gauche) et froide (à droite)
C C96 C97 C9F C9A 5
C 6CC 7CC FCC ACC 5CCC 56CC 57CC 5FCC 5ACC
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3'3 1 81ECDE14+96
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6&61 )(1!7
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3'3 1 81ECDE14+96
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"(1068C1+B32191)(
6&61 )(1!7
Thèse Adrien Dhalluin - 149 - Université de La Rochelle III.3.4 Période sans occupant
Dans cette étude, la comparaison des stratégies de ventilation a été faite uniquement pour les périodes d’occupation des salles de classe. Cependant, il est intéressant de comparer les conditions hygrométriques notamment pour les périodes sans occupant, puisque ces paramètres peuvent affecter la qualité du bâti et que les salles sont inoccupées près de 80% du temps (36h de cours maximum par semaine par salle). Nous avons écarté du panel de données, les périodes pendant lesquelles les radiateurs étaient laissés allumés (moins de 10% du temps) et les week-ends puisque la VMC ne fonctionne pas durant toute cette période.
Les conditions météorologiques (Text, HRext et Rg) pour les plages de données sélectionnées (Tableau III.3) sont identiques pour les modes d’une même configuration et similaires pour les deux configurations, ce qui facilite l’analyse des résultats.
Paramètres Configuration 1 Configuration 2
saisons été hiver été hiver
Text (°C) Moy (σ) 16,4 (3,0) 5,9 (4,1) 15,8 (3,8) 7,0 (3,6) HRext (%) Moy (σ) 70,4 (13,4) 86,9 (6,5) 72,5 (11,9) 85,6 (8,2)
Rg (W/m2) Moy 177 134 158 137
Tableau III.3 : Conditions météorologiques pour la période sans occupant
La Figure III.2 montre qu’en période chaude, le système SOS assure des températures d’air plus fraiches, entre 1°C et 2,5°C, qu’avec une ouverture manuelle des fenêtres (« VN ») et surtout plus stables, puisqu’elles sont comprises entre 20°C et 24°C plus de 90% du temps, conformément à la consigne choisie (22°C ± 2°C). Le mode mixte « VMC (250 m3/h) + VN » étant de loin le plus chaud, en raison du passage de l’air neuf dans l’échangeur, qui récupère ainsi les calories de l’air extrait.
Les taux d’humidité relative sont quant à eux compris entre 30% et 70% pour tous les modes de ventilation, même s’ils sont légèrement plus importants pour les modes de ventilation naturelle pour les raisons évoquées plus haut (plus faibles TRA et flux d’air entrant plus humide car non chauffé par la VMC). Du point de vue hygrothermique, il n’y a donc pas d’intérêt à ventiler mécaniquement et donc à consommer plus d’énergie lorsque les salles sont inoccupées, dans le cadre d’un climat doux.
En période froide, on se rend compte de l’importance du système de chauffage et de la nécessité de laisser ce système en fonctionnement toute la journée. En effet, grâce aux actions combinées de la batterie chaude et de l’échangeur de chaleur, la VMC permet de sauver entre 1°C et 3°C supplémentaires par rapport aux modes de ventilation naturelle. Les écarts auraient été plus importants encore, si nous avions considéré que les périodes pendant lesquelles la VMC fonctionne (de 7h à 19h avec Tconsigne = 20°C) ou encore si les températures extérieures avaient été plus froide. En absence de chauffage, les températures d’air ont tout de même chuté à 10,5°C pour le mode « SOS seul », contre 12,5°C pour les modes mixtes.
Pour une même configuration, les courbes de température sont similaires car les fenêtres n’ont été quasiment jamais ouvertes, sauf exceptionnellement (à deux reprises sur un mois de mesure) avec le