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Qualité de l'air intérieur et confort thermique - Claude-Alain Roulet

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Présentation de M. Claude-Alain Roulet, Prof. Hon. EPFL, Président de la commission SIA 180, lors du séminaire Minergie Qualité de l'air intérieur à Fribourg le 8 novembre 2016

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Qualité de l'air intérieur et confort thermique - Claude-Alain Roulet

  1. 1. LA NORME SIA 180 Le but de la norme SIA 180 Protection thermique, protection contre l’humidité et climat intérieur dans les bâtiments, en vigueur depuis le 1er juillet 2014, est de garantir un climat ambiant confor- table et de prévenir des dommages à la construction. Un climat intérieur confortable doit être assuré d'abord à l'aide de différentes mesures construc- tives. Le bâtiment, installations techniques déclenchées, doit être au moins aussi confortable, thermiquement, que l'extérieur. Un concept de ventilation précise comment la qualité d'air sera assurée. On précise de même comment éviter les dommages à la construction résultant d'influences thermiques ou hydriques. Les exigences en matière d'isolation thermique, en particu- lier aux ponts thermiques, sont données pour prévenir les moisissures et la condensation. LA NORME SIA 382/1 La norme révisée Installations de ventilation et de climatisation – Bases générales et performances requises est en vigueur depuis le 1er juillet 2014. Elle s’adresse sans distinction aux concepteurs d’installations de ventilation et de climatisation, aux architectes, aux maîtres d’ouvrage ainsi qu’aux autorités de contrôle. Elle réunit toutes les spécifications pour que des installations de ventilation et de climatisation créent toute l’année, pour une consommation énergétique modérée, des conditions ambiantes agréables, permettant de prévenir des répercussions négatives sur la santé et le bâtiment. En définissant avec précision le niveau de confort sur la base de l’édition 2014 de la norme SIA 180 (également en vigueur depuis le 1er juillet), les valeurs de consigne et les conditions de récep- tion des installations, cette norme permet de définir clairement les besoins des utilisateurs, de fixer les conditions quantitatives pour y satisfaire et de les contrôler. LA QUALITÉ DE L'AIR SELON SIA 180 Selon l’article 3.1.1 de SIA 180: La qualité de l'air intérieur dans un bâtiment habité doit être telle qu'elle n'entraine aucune gêne et aucun risque pour la santé des occupants, et n’endommage pas le bâtiment. En particulier, la con- centration de polluants dans les espaces occupés ne doit pas dépasser les concentrations maxi- males légales à la place de travail, les valeurs de l’ordonnance de radioprotection pour le radon et des valeurs directrices du tableau 4. Les valeurs limite et directrices sont données en valeur ins- tantanées, moyennes sur une certaine période ou en doses cumulées pendant une certaine pé- riode. Si plusieurs valeurs limite ou directrices sont données, aucune ne doit être dépassée. Et, selon l’article 3.1.2: Claude-Alain Roulet Prof. Hon. EPFL Président de la commission SIA 180 claude.roulet@epfl.ch
  2. 2. Ces objectifs sont atteints en respectant, dans l'ordre de priorité, les consignes suivantes: 1. Réduire les sources de pollution de l'air à l'intérieur des bâtiments (3.3). 2. Évacuer directement vers l’extérieur les polluants aussi près que possible des sources de pol- lution (3.4). 3. Amener dans les zones occupées de l'air de qualité suffisante et au débit nécessaire pour éva- cuer les polluants résiduels inévitables (3.5). En ce qui concerne les sources de contaminants, la section 3.3 de la norme SIA 180 précise les points suivants: Choisir les matériaux de construction (tous les matériaux introduits à la construction ou la trans- formation, y.c. revêtements, peintures, enduits, etc.) ne présentant pas ou très peu d'émission de polluants dans l’air des espaces occupés. Des informations sont données par exemple dans les déclarations de matériaux de construction selon SIA 493 ou les déclarations environnementales de produit (Environmental Product Declaration EPD). L'étanchéité des parties enterrées de l'enveloppe des espaces occupés doit être suffisante pour éviter l'entrée d'eau, de vapeur d'eau et de radon dans le bâtiment. Dans les nouveaux bâtiments comportant des locaux d’habitation adjacents au terrain ou une cave à sol brut il faut prendre des mesures constructives préventives qui permettent si nécessaire de réduire la concentration de radon dans les espaces occupés. Parois et dalles séparant les espaces avec sources de pollution ou d’humidité (par ex. garages, caves, espaces à haute concentration de radon) des espaces occupés doivent être aussi étanches à l'air que possible. Les portes et passages entre ces espaces doivent être exécutés de manière que le débit d’air sous 50 Pa de pression différentielle, rapporté à l’aire totale des parois de sépa- ration soit inférieure à 2 m3 /(h·m2 ) Pour l'évacuation des polluants, on précise dans la section 3.4: Des hottes d'évacuation des gaz et fumées doivent être installées près des sources fixes (cuisi- nières, machines polluantes). Pour un fonctionnement adéquat, l'apport d'air extérieur doit être assuré par des dispositifs qui se ferment pendant l’arrêt du ventilateur d’extraction. Une aération naturelle suffisante au sens du chiffre 3.1.1 doit être assurée dans les locaux inoccu- pés contenant des sources de pollution (par ex. garages) lorsqu'ils ont une liaison avec les locaux habités. Des mesures constructives doivent être prises dans tous les locaux des bâtiments neufs qui sont occupés durablement ou qui pourraient l'être, pour empêcher durablement que des substances nocives puissent y pénétrer. Il en va de même pour la réaffectation de locaux inhabités en locaux occupés durablement. MINERGIE® – Air Sain 2016 - Roulet www.minergie.ch Débit d’air par personne (seules les personnes polluent) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Débitd’airfrais[m³/h·personne] Malsain Sent le renfermé Recommandé SIA 382/1 Réduction autorisée SIA 382/1 Si on examine les normes, le choix est large entre les débits proposés qui dé- pendent des sources de pollution et des concentrations acceptées. Il est néanmoins dangereux de descendre en-dessous de 4 m³/h et personne, et exagéré de dépasser 40 m³/h et per- sonne s’il n’y a pas d’autres sources de pollution que les occupants.
  3. 3. CONCEPT DE VENTILATION La nouvelle norme SIA 180 exige qu’un concept de ventilation soit établi au niveau de l’avant pro- jet. Ce concept tient compte du fait qu'il existe diverses méthodes d'aération: • Ventilation naturelle, à savoir aération au travers des fenêtres et d'autres ouvertures prati- quées dans l'enveloppe du bâtiment (dont l'effet peut être renforcé par des cheminées) sous l'action de l'occupant. • Ouvertures à réglage automatique (par exemple clapets hygroréglables). • Ventilation mécanique (installations à double flux ou à extraction avec entrées d'air). Le concepteur doit donc décider dès l'avant projet comment le bâtiment sera aéré. S'il opte pour une ventilation mécanique, il doit prévoir de la place pour les installations et les conduites, et déci- der de l'emplacement de l'entrée d'air et de la sortie de l'air vicié. S'il opte pour une ventilation na- turelle, il doit prévoir des ouvertures de ventilation dans l'enveloppe, décider du parcours de l'air dans les locaux et donc prévoir les connexions éventuellement nécessaires. Il peut aussi opter pour une ventilation mixte, par exemple une ventilation mécanique en saison de chauffage et natu- relle en dehors cette saison. Le principe de ventilation doit permettre aux utilisateurs d'obtenir les débits d'air nécessaires par une utilisation appropriée des ouvertures de ventilation naturelle ou de la ventilation mécanique. Les utilisateurs doivent être informés. L’article 3.2.7 précise qu’un principe de ventilation nécessitant l’aération continue par l'ouverture partielle permanente de fenêtres pendant la saison de chauffage n'est pas admis. La Palisse aurait pu dire que, pour contrôler les débits d'air, il faut éviter que l'air n'entre ou ne sorte par des fuites incontrôlées. La maîtrise du débit d'air ne doit pas être laissée aux défauts de construction que sont les fuites, mais contrôlé par des ouvertures aménagées exprès dans l'enve- loppe (grilles de ventilation, fenêtres, impostes, etc.), ou par un système de ventilation (canaux, ventilateurs, etc.). En dehors de ces ouvertures, l'enveloppe du bâtiment doit être raisonnablement étanche. Il est de tradition en Suisse d'utiliser les fuites de l'enveloppe pour ventiler, en complétant cette "ventilation" de base par l'ouverture des fenêtres. Cette tradition ne peut plus s'appliquer, ce pour deux raisons essentielles : Une fuite donne plus de débit par temps froid ou venteux, et moins de débit par temps calme et clément. Ces débits ne correspondent pas aux nécessités. Par exemple, le débit d'air nécessaire à évacuer l'humidité est très faible par temps froid et peut être très grand par temps clément. Les occupants des logements sont souvent tous absents pendant la journée. Les fenêtres restent ouvertes ou fermées pendant ce temps, ce qui provoque soit un gaspillage d'énergie, soit un manque d'aération. Les besoins en aération dépendent des exigences de qualité d’air ainsi que des sources de con- tamination et de leur intensité, qui sont généralement variables. D'autre part, les apports d’air dé- pendent du vent et des différences de température en ventilation naturelle ou de l’installation et de ses réglages en ventilation mécanique. Pour adapter les apports aux besoins il faut contrôler les débits, donc construire une enveloppe étanche et installer des organes de contrôle. Ces organes font partie de l'installation en ventilation mécanique, mais doivent être prévus et installés dans l'enveloppe du bâtiment pour contrôler la ventilation naturelle. L'aération sert essentiellement à évacuer les polluants. Pour assurer une bonne qualité de l'air tout en évitant le gaspillage de nos ressources, il convient d'éviter des sources de polluants inutiles, et de contrôler l'aération le mieux possible. Pour cela, une enveloppe étanche est indispensable, l'aé- ration étant assurée par des ouvertures ou des installations ad hoc. L'ère de l'aération par les fuites est révolue.
  4. 4. Aereco s/fenêtre Aereco s/canal Renson s/fenêtre Ouvertures d'aération On trouve dans le commerce de nombreuses ouvertures d’aération permettant d’obtenir les débits nécessaires et suffisants par une ventilation naturelle contrôlée. Ces ouvertures sont souvent mu- nies de grilles contre les insectes, d’atténuateurs acoustiques, voire de régulation de débit. LE CONFORT THERMIQUE Les habitants aiment adapter les conditions climatiques intérieures à leurs besoins et réciproque- ment, ils adaptent leur habillement et leur activité aux conditions ambiantes. De plus, ils acceptent des variations de températures différentes suivant leur environnement. Des données observées dans 160 bâtiments dans le monde entier ont été compilées dans le cadre du projet de recherche ASHRAE 884. Ces bâtiments ont été classés en deux catégories : les bâti- ments à ventilation naturelle et les bâtiments avec air conditionné. Figure 1: Températures observées et prédites dans des bâtiments avec air conditionné (à gauche) et à venti- lation naturelle (à droite). Les lignes en trait point sont ajustées sur les points expérimentaux. D'après [9]. Dans ces derniers, les températures observées correspondent à celles que l'on peut prédire à l'aide du modèle de Fanger repris dans la norme ISO 7730 (Figure de gauche). Par contre, dans les bâtiments avec ventilation naturelle, le modèle ne prédit pas la température idéale correcte. Il semble que les habitants s'adaptent aux conditions locales en utilisant des moyens qui ne sont pas pris en compte dans le modèle ISO 7730. (Figure de droite). Ces résultats ayant été confirmés par plusieurs chercheurs, le modèle de confort adaptatif a été repris dans la norme ISO 13786, et donc dans SIA 180. La nouvelle version de la norme SIA 180 a donc des exigences différentes pour les locaux condi- tionnés (par exemple les locaux climatisés en été ou chauffés en hiver et ceux qui ont une ventila- tion essentiellement mécanique) et les locaux à ventilation essentiellement naturelle et non condi- tionnés, notamment ceux dans lesquels les installation de chauffage et, le cas échéant, les instal- lation de refroidissement son déclenchées. 20 21 22 23 24 25 26 27 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 Températureintérieure[°C]. Température extérieure [°C] Air conditionné Observé Prédit Ajusté 20 21 22 23 24 25 26 27 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 Températureintérieure[°C]. Température extérieure [°C] Ventilation naturelle Observé Prédit Ajusté
  5. 5. MINERGIE® – Air Sain 2016 - Roulet www.minergie.ch 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 Températureopérativeintérieure Température extérieure en moyenne courante sur 48 heure Limites du confort acceptable en activité sédentaire Pour les locaux non condi- tionnés, la température opérative idéale est sim- plement fonction de la température extérieure moyenne sur 48 heures. Si on tient compte de la variabilité des besoins des humains et d’une marge acceptable de tolérance, des domaines de confort peuvent être tracés autour des lignes optimales. Le domaine jaune élargi est valable pour un espace non conditionné. Le domaine orange est celui de EN ISO 7730, si on tient compte de l’adaptation de l’habilement à la saison. Ce domaine satisfait 90% des occupants d’un espace conditionné en activité sédentaire. Pour les locaux conditionnés, la température idéale de confort et la tolérance sont les mêmes que dans la version précédente de la norme. LE CONFORT D'ÉTÉ Selon la norme SIA 180 art. 5.1: Le bâtiment doit être conçu et construit de manière à satisfaire les exigences de confort sans re- froidissement artificiel tant que la charge thermique interne spécifique journalière reste modérée, et que les protections solaires mobiles et la ventilation naturelle sont utilisées de manière adéquate. Par refroidissement artificiel on entend toute forme de refroidissement liée à une consommation supplémentaire de courant électrique (y compris l’évacuation de la chaleur par des sondes géo- thermiques, dans l’eau souterraine, un cours d’eau ou un lac si une pompe est nécessaire). Les exigences de protection thermique mentionnées ci-dessus valent aussi pour les locaux refroi- dis artificiellement. En d'autres termes, un local à fortes charges thermique, donc qui nécessite un refroidissement, doit être aussi bien protégé du rayonnement solaire et de la chaleur externe. Les exigences mentionnées sous 5.1.1 ne s’appliquent pas aux piscines couvertes et aux locaux dans lesquels les occupants ne font qu'un court passage (moins d'une heure par jour). Le domaine de température acceptable dépend donc du concept de ventilation. • Pour une activité sédentaire, le domaine orange s'applique aux locaux dans lesquels la plus grande partie du débit d'air est contrôlé par une installation de ventilation mécanique. • Le domaine jaune élargi est valable pour un espace dans lequel la majorité de l'air est obte- nu par ventilation naturelle. On voit immédiatement l’avantage énergétique important que l’on peut tirer de cette réalité: Si un bâtiment permet de maintenir une température acceptable sans conditionnement, point n’est be- soin de l’installer. Ainsi, un bâtiment Minergie® - donc en principe avec une ventilation mécanique - doit rester à l’intérieur du domaine orange tant que la ventilation mécanique fonctionne. En été toutefois, il est possible (et même recommandée pour économiser de l’énergie électrique) d’aérer les locaux par une ventilation naturelle. Si les fenêtres sont ouvrantes, c’est alors le domaine élargi jaune qui
  6. 6. s’applique. Il est parfaitement possible de concevoir le bâtiment et les locaux pour qu’ils restent à l’intérieur de ce domaine si les protections solaires et la ventilation nocturne sont utilisées. MINERGIE® – Air Sain 2016 - Roulet www.minergie.ch Humidité d’air en hiver sia 382/1 0 5 10 15 20 25 30 35 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 Débitenm³/(h·personne) Température extérieure Afin d’éviter un trop faible taux d’humidité en hiver (température de l’air externe inférieure à 0°C) et des apports de chaleur indésirable en été (température de l’air exté- rieur supérieures à 25°C) ainsi que pour réduire la puissance maximale de chauffage ou de re- froidissement, il est conseillé de réduire le débit d’air lors de basse et à haute température extérieure jusqu'à 50 %. La valeur minimale est 15 m³/(h personne). SIA 180 précise, à l’article 3.5.1.3, que: Dans les espaces chauffés ou ventilés mécaniquement, et jusqu’à une altitude de 800 m, l’humidité de l’air intérieur en hiver ne peut être inférieure à 30 % que pendant au maximum 10% de la durée d’occupation annuelle. Au-dessus de 800 m d’altitude, cette limite est réduite de 1 % H.R. pour 100 m supplémentaires. Par exemple, la limite est de 20% à 1800 m d’altitude. Cette limite est valable à la température de dimensionnement de l’air intérieur en hiver Cette exigence doit être satisfaite sans humidification artificielle. Les exceptions ne sont ad- mises que si l’humidité reste trop basse lorsque toutes les mesures suivantes sont prises: • La ventilation est adaptée aux besoins et réduite par basses températures extérieures. Dans les installations de ventilation mécanique, le débit d’air neuf est réduit selon SIA 382/1, chiffre 2.2.6.5. • Le chauffage est adapté aux besoins avec une température de consigne de l’air selon SIA 2024. • Récupération de chaleur sur l’air extrait avec transfert d’humidité. • Augmenter les sources d’humidité dans le local. Un chauffage à température trop élevée augmente la consommation d’énergie et réduit l’humidité relative intérieure. En conséquence, les températures trop élevées en saison de chauffage sont à éviter. Cette exigence est relativement facile à remplir. ll suffit d'adapter le débit d'air aux sources de pol- lution et de ne pas surchauffer. Si les occupants sont la seule source de pollution et d'humidité, la production d'humidité de ces occupants suffit pour assurer une humidité relative suffisante à une température confortable avec un débit d'air correct. Par exemple à la Chaux-de-Fonds, la température extérieure est supérieure à -2 °C pendant 90% du temps d'occupation (SIA 2028 page 40). En hiver, cet air extérieur contient au moins 3.73 g de vapeur d'eau par mètre cube. A 21 °C (température de confort en hiver) un air à 30% d'humidité contient 5,18 g/m³ de vapeur d'eau. Comme une personne produit environ 70 g de vapeur d'eau par heure, un débit d'air inférieur à 48 m³/h et par personne permet de garder les 1,45 g/m³ qui manquent et d'assurer une humidité suffisante. Si on admet que l'air extérieur ne contient que 1 g/m³ (ce qui n'est pratiquement jamais le cas), un débit d'air de 15 m³/h et par personne, comme indiqué par SIA382/1 en saison très froide, suffit encore pour assurer une humidité relative de 34%.
  7. 7. EN RÉSUMÉ Selon la norme SIA 180, le bâtiment doit être conçu pour être, sans chauffage ni refroidissement, au moins aussi confortable que l’extérieur, et plus de préférence. Ceci exige que l’architecture soit adaptée au climat. Dans les climats européens, une bonne conception permet de fortement ré- duire la durée de la saison de chauffage et d’éviter presque partout le refroidissement. Pour obtenir une bonne qualité d’air, l’aération doit être contrôlée et le concept de ventilation (na- turelle, mécanique ou hybride) fait partie du projet. La norme SIA 382/1 permet de déterminer si une ventilation mécanique, voire un refroidissement est souhaité ou nécessaire. Le cas échéant, il donne les informations utiles pour une bonne concep- tion, pour le dimensionnement et la mise en service.

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