Depuis le déclenchement de l’urgence sanitaire, la question de tous les acteurs de notre secteur est la même : quelle est l’installation qui permet de minimiser le risque de propagation des virus et des contaminants environnementaux ?
Le système idéal doit répondre à trois exigences fondamentales :
- Éviter la recirculation de l’air (tant au niveau local que dans les CTA) ;
- Assurer des débits de ventilation élevés pour diluer les contaminants ;
- Éviter la formation de vitesses d’air élevées dans la zone occupée qui peuvent provoquer une transmission de personne à personne.
Ces exigences mettent fortement à l’épreuve les systèmes basés sur des terminaux de salle tels que les ventilo-convecteurs et les unités VRF, ainsi que les systèmes tout air avec recirculation. En revanche, les systèmes avec terminaux radiants restent valables, à condition toutefois que le débit soit augmenté au-delà des 2 volumes/heure classiques.
Cependant, il existe une solution encore meilleure, basée sur l’intégration entre l’installation et la structure du bâtiment. Pour en savoir plus, nous devons faire un pas en arrière.
La technique d’utilisation de la structure comme moyen de contrôler la température de l’environnement date de plus de 2000 ans. Le tépidarium des bains romains, pour reprendre l’éditorial de ce même numéro d’On Air, est le premier exemple d’un environnement chauffé au moyen d’un système radiant, appelé hypocauste, basé sur la circulation d’air chaud à l’intérieur d’un espace vide créé sous le plancher. Une solution qui a été revisitée à l’époque moderne jusqu’à arriver aux panneaux rayonnants d’aujourd’hui avec des tuyaux en plastique traversés par de l’eau chaude ou froide, donc également utilisés pour le refroidissement.
Mais l’évolution des systèmes rayonnants ne s’est pas arrêtée là. Le système dont nous voulons parler, connu sous le nom de Concretcool®, est résolument différent des solutions rayonnantes traditionnelles et unique en son genre. Elle ressemble un peu à l’hypocauste romain car c’est une combinaison d’un système de rayonnement et d’un système de ventilation.
Le Concretcool® consiste à intégrer dans la structure des serpentins de tuyaux en aluminium extrudé, qui servent à la distribution de l’air. Les tubes sont posés à l’intérieur de l’armature du plancher, puis directement noyés dans le béton. Ils ont un diamètre de 60 ou 80 mm et sont équipés d’une lame à ailettes internes qui garantit une grande surface d’échange thermique et donc une transmission d’énergie élevée à la masse thermique du béton.
Pendant la période estivale, le système de traitement d’air, entièrement extérieur, refroidit l’air jusqu’à 13°C pour garantir la déshumidification. L’air pénètre ensuite dans les tuyaux, répartis sur toute la surface des sols, et cède progressivement son énergie de refroidissement à la masse de béton, en chauffant jusqu’à 21-22°C, température à laquelle il est introduit dans l’environnement avec des diffuseurs à haute induction placés au plafond ou des diffuseurs linéaires placés au mur.
La structure des sols est ainsi transformée en une surface rayonnante qui accumule et échange de l’énergie de refroidissement avec l’environnement occupé, garantissant des conditions de bien-être élevées.
En fonctionnement hivernal, l’air extérieur est chauffé par un récupérateur de chaleur jusqu’à 10-15°C, température à laquelle il est distribué dans les tuyaux où il se réchauffe jusqu’à 20-21°C, se mettant en équilibre thermique avec l’environnement grâce à la contribution des charges internes. Le système permet, en pratique, le chauffage passif et gratuit de l’environnement grâce à la chaleur endogène produite par les personnes et les équipements (lumières et ordinateurs), ce qui réduit considérablement la demande de chaleur pour la ventilation. Ce n’est que dans des conditions de pointe qu’il peut être nécessaire de compléter la chaleur avec des bornes d’eau chaude ou en fournissant de l’air à une température plus élevée que la température ambiante.
Du point de vue du bien-être et de la qualité de l’air ambiant, le grand avantage consiste dans le fait d’introduire dans l’environnement un flux d’air extérieur égal à 3 ou 4 volumes par heure, ce qui garantit à la fois une ventilation efficace (et donc la dilution des contaminants internes) et le contrôle de l’humidité relative. La température ambiante est, au contraire, maintenue exclusivement grâce à l’effet rayonnant des sols, sans mouvement d’air froid et sans stratification de l’air chaud.
Toujours en termes de QAI, il faut également tenir compte du fait que les sols sont exposés à la vue afin de garantir l’effet de rayonnement, ce qui permet d’éliminer les faux plafonds, qui représentent souvent un facteur de risque du point de vue de l’hygiène en raison de l’accumulation de poussière et de contaminants.
La capacité de refroidissement du système dépend essentiellement du débit d’air utilisé et de la densité des tubes et se situe entre 60 et 80 W/m². Le processus d’échange thermique est autorégulé et présente une grande stabilité à la température ambiante grâce à la capacité de stockage des dalles de béton.
Pas uniquement la QAI
L’aspect le plus intéressant du système est le fait que ces hautes performances en termes de bien-être et de QAI sont obtenues avec une très faible consommation d’énergie, grâce aux caractéristiques de construction et d’utilisation des nouveaux bâtiments.
La haute performance thermique de l’enveloppe, dictée par les contraintes légales en matière d’économie d’énergie, se traduit par une forte réduction des besoins de chauffage hivernal des bâtiments, devenus aujourd’hui presque “passifs”.
D’autre part, la large utilisation des façades vitrées et la forte production de chaleur due aux personnes et aux ordinateurs impliquent de plus en plus la nécessité de rafraîchir les pièces même pendant les périodes qui ne sont pas strictement estivales.
La solution la plus pratique pour limiter la consommation d’énergie pour le refroidissement consiste à utiliser au mieux l’air extérieur utilisé pour la ventilation, qui est disponible à basse température.
Ce concept est bien connu sous le nom de «free cooling», c’est-à-dire le refroidissement gratuit d’environnements sans utilisation d’équipements frigorifiques, dont l’utilisation peut donc être limitée aux seules périodes de pointe estivales, avec des économies d’énergie importantes.
Le système Concretcool® est en mesure de tirer le meilleur parti de cette possibilité, car il utilise un débit d’air extérieur plus élevé que les systèmes mixtes avec air primaire.
Un autre avantage est représenté par le post-chauffage gratuit en été : l’air refroidi et déshumidifié dans la CTA est en effet amené à la température neutre d’entrée de 21°C par échange de chaleur avec la masse des planchers, ce qui élimine la nécessité d’utiliser des batteries à eau chaude.
Par rapport aux systèmes à air complet, le rendement est plus élevé car, grâce à l’effet de rayonnement des planchers, il est possible de fournir la même puissance de refroidissement mais avec un débit d’air plus faible, ce qui réduit la consommation des ventilateurs.
Enfin, toujours en été, il est possible de réduire davantage la consommation grâce à l’accumulation de froid pendant la nuit : la circulation d’air à basse température dans les tuyaux permet de refroidir la masse, accumulant ainsi de l’énergie frigorifique à utiliser le lendemain, ce qui réduit l’utilisation des unités de réfrigération.
Dans l’ensemble, la consommation d’énergie sur une base annuelle est d’environ 30 kWh/m², donc inférieure à celle de tout autre type d’installation de bureau. Ainsi, il est plus facile de créer des bâtiments passifs et nZEB, conformes aux exigences du décret 28/2011 sur les sources d’énergie renouvelables, tandis que la haute performance énergétique et l’utilisation d’un débit d’air extérieur supérieur aux valeurs minimales requises par la norme ASHRAE 62/2007 permettent d’obtenir le score maximum dans les catégories “Énergie et atmosphère” et “Qualité de l’environnement intérieur” du protocole LEED.
Les avantages pour l’architecte et l’investisseur immobilier
Compte tenu de tous ces avantages pour la conception des systèmes, quels sont les aspects qui intéressent l’architecte et l’investisseur, notamment pour les immeubles de bureaux ?
Commençons par considérer que le système présuppose l’élimination des faux plafonds. En plus d’éviter le coût relatif, cela permet de créer des pièces au moins 40 cm plus hautes que les pièces traditionnelles. En outre, les seuls éléments techniques visibles sont les diffuseurs d’air, s’ils sont installés au plafond.
Lorsqu’il s’agit d’un projet de bâtiment de grande hauteur, la suppression du faux plafond présente un autre avantage potentiel pour l’investisseur, à savoir la possibilité d’augmenter le nombre d’étages et donc la surface construite. Dans l’hypothèse d’une hauteur de bâtiment de 40 mètres, avec la hauteur du sol au plafond de la solution standard de 4 mètres, il est possible de construire 10 étages, alors que si l’on réduit cette hauteur à 3,6 mètres, le nombre d’étages devient 11.
Un autre aspect important est la flexibilité : la capacité du système à s’adapter facilement aux changements de présentation. Chaque module de façade est en effet équipé d’un circuit de tuyauterie. Il est donc possible de modifier la configuration des espaces (par exemple, passer d’un espace ouvert à des bureaux individuels), en garantissant toujours le contrôle du microclimat pour chaque module.
Le système permet également de réduire les temps de construction, puisque la réalisation des travaux d’ingénierie de l’usine est plus rapide grâce à l’intégration des tuyaux dans les planchers.
Enfin, dans la phase de gestion, Concretcool® garantit des coûts d’exploitation faibles grâce, non seulement, à sa haute performance énergétique, mais aussi à des coûts de maintenance nettement inférieurs à ceux des systèmes utilisant des terminaux de salle équipés de filtres.
Enfin, le système est également pratique du point de vue du coût d’investissement économique car il intègre dans un même élément le système de climatisation et de ventilation, n’utilisant que de l’air pour assurer le contrôle de la température et de l’humidité et le changement d’hygiène.
En conclusion…
Le système idéal n’existe peut-être pas encore, mais Concretcool® représente certainement une excellente solution pour la climatisation des bâtiments avec de grandes surfaces au sol et au plafond, tels que les bureaux, les hôpitaux et les bibliothèques et, surtout, il convient particulièrement aux salles de classe, où la forte affluence nécessite l’utilisation d’un flux d’air frais adéquat dans des espaces relativement réduits. En effet, il garantit une ventilation adéquate et des conditions de confort optimales à tout moment, facteurs décisifs pour la concentration, l’apprentissage et l’enseignement.
Comme nous l’avons vu, le système combine l’efficacité énergétique et la qualité de l’air ambiant, qui sont les piliers essentiels des bâtiments durables qui assurent également la santé de leurs occupants.
Ce qui est peut-être le plus intéressant, et un défi pour les concepteurs et les installateurs, c’est que le développement et l’adoption d’un tel concept pour la conception des bâtiments nécessitent une approche véritablement holistique, dans laquelle l’architecture, les structures et les systèmes sont des disciplines intimement liées et inséparables.
Un exemple
Située au cœur de la région industrielle de la Ruhr, Recklinghausen est une ville de 120 000 habitants.
Le campus des deux écoles professionnelles Max Born et Herwig-Blankertz, ouvert en 2008, a une superficie brute d’environ 37.000m².
Destiné à 4500 élèves et 200 enseignants, ce sujet est un bon exemple de la manière dont il est possible de mettre en œuvre avec succès un projet innovant qui garantit des conditions environnementales optimales pour les enseignants et les élèves et en même temps un impact environnemental réduit grâce aux systèmes de climatisation.
La particularité de la conception de la centrale est l’importance accordée à la ventilation, au point de la considérer comme un véritable élément central. Cela a conduit au choix du système Concretcool® en considération de l’effet de synergie sur la base duquel l’air nécessaire au renouvellement hygiénique est utilisé en même temps pour le chauffage ou le refroidissement des locaux. L’adoption du système s’est également appuyée sur les résultats de simulations énergétiques précises. Dans la phase estivale, il permet d’exploiter au maximum le potentiel de refroidissement libre de l’air extérieur pendant la période nocturne et cela s’est avéré suffisant pour évacuer la chaleur de la masse du bâtiment, de manière à éviter la surchauffe des pièces et à garantir une température ambiante confortable le lendemain.
Le débit de l’air extérieur introduit dans chaque classe est de 4 vol/h. Il est traité dans les unités situées au sous-sol (équipées d’un récupérateur de flux transversal) et distribué par des conduits verticaux jusqu’aux étages où la distribution horizontale se fait par des conduits rectangulaires (situés à l’intérieur d’une cavité technique) d’où se détachent les tuyaux encastrés dans les étages. Elles se poursuivent jusqu’à la façade avec une distance entre les centres de 62,5 cm et se terminent par des diffuseurs linéaires placés au ras du plafond. L’air est introduit le long du vitrage et circule transversalement dans la pièce jusqu’à ce qu’il soit extrait par des grilles placées dans la partie supérieure de la cloison interne. L’air passe ensuite par la cavité technique, qui agit comme une barrière acoustique, et sort dans le couloir. De là, il est extrait en points concentrés et renvoyé aux unités de traitement pour la récupération de la chaleur. Le système de distribution de l’air de ventilation est donc complètement intégré à la structure.
Pour chauffer les salles de classe dans les conditions hivernales les plus rigoureuses, des convecteurs statiques alimentés en eau chaude ont été installés le long de la façade, dissimulés à la vue par une armoire qui fait également office de parapet. Afin d’assurer une libre circulation de l’air, le profil de l’armoire se termine à 10 cm au-dessus du sol, tandis qu’une grille est prévue sur la face supérieure.
L’approvisionnement en énergie thermique est assuré par le raccordement au réseau de chauffage urbain avec une sous-station qui garantit la production d’eau chaude. Il existe également une unité de réfrigération par pompe à chaleur qui peut produire de l’eau chaude ou de l’eau réfrigérée si nécessaire. La pompe à chaleur est connectée à un système géothermique en circuit fermé avec des sondes verticales.
