1 Conditions aux limites (Climat)

Le concept moderne de confort est très complexe. Il englobe autant des grandeurs physiologiques et des paramètres de l’environnement que des sensations qui peuvent varier selon les individus. Une multitude d’attentes portant sur le bien-être corporel et matériel sont liées au concept de confort. Les seuils de tolérance concernant le froid, les odeurs, la propreté, le bruit etc. changent continuellement, en partie à cause de notre société de luxe et de prospérité.

En raison de la complexité des « phénoménes de confort », les exigences sur le climat intérieur et la marge de fluctuation du bien-être des habitants  – spécialement dans le domaine du  – sont représentées, pour plus de facilité, à l’aide de ce que l’on dénomme des diagrammes de confort.

Les paramètres qui définissent le confort thermique d’une personne s’appuyent sur des recherches scientifiques et statistiques portant sur le système de thermorégulation du corps humain. Ils sont regroupés dans l’équation du confort de P. O. Fanger [1.4][1.20]. Cependant la sensibilité du corps à chaque paramètre varie beaucoup.

1.2.1 Bilan énergétique du corps humain

Pour maintenir ses fonctions corporelles, l’homme doit maintenir constante la température de son corps (~37 °C). La chaleur nécessaire est produite continuellement dans le corps par ce que l’on dénomme le processus métabolique qui transforme de l’énergie chimique en chaleur.

D’autre part le corps humain échange en permanence de la chaleur et de l’humidité avec son environnement (voir Fig. 1.19).

Quand les températures sont basses, la chaleur se dissipe principalement par rayonnement et conduction/convection (part sensible des échanges de chaleur avec l’environnement). Par contre, quand les températures prennent des valeurs proches de celle du corps, la chaleur s’évacue pratiquement uniquement par évaporation (part latente), voir Fig. 1.20 et Tab. 1.10.

En état de « confort thermique », un équilibre s’établit entre la production de chaleur à l’intérieur du corps (activité métabolique M) et les échanges de chaleur entre la surface du corps et l’entourage. Cet équilibre peut être décrit par un bilan thermique:

L’équation 1.2 indique qu’à l’équilibre la production nette de chaleur du corps – production de chaleur métabolique et travail externe avec déduction des pertes de chaleur par évaporation et par respiration – correspond d’une part au flux de chaleur transmis à travers les habits, et, d’autre part, également aux échanges de chaleur par rayonnement et conduction/convection entre la surface extérieure des habits et l’environnement.

Ces échanges de chaleur qui influencent le confort humain dépendent avant tout de l’activité physique, de l’isolation thermique procurée par l’habillement, de la température ambiante, des températures des surfaces ainsi que de l’humidité de l’air, des courants d’air etc.

Le coefficient « met » (métabolisme) sert de mesure du métabolisme de base du corps en fonction de l’activité physique [1met ≈ 60 W·m^–2] (ceci correspond approximativement au dégagement de chaleur métabolique d’une personne assise et au repos rapporté à une surface du corps de 1 m²); voir Tableau 1.11.

D’autre part la résistance thermique de l’habillement (I_cl) est spécifiée par le coefficient « clo » (clothing) [1 clo ≙ 0,155 m² · K · W^–1] (ceci correspond approximativement à l’isolation d’un habillement procurant un sentiment de confort thermique à une personne calme et assise à 21 °C, avec un courant d’air de 0,1 m · s^–1 et 50 % d’humidité relative) (voir Tableau 1.12).

En plus d’un bilan thermique équilibré, d’autres relations fondées sur l’expérience physiologique et établies statistiquement doivent être prises en compte: par exemple des limites relativement étroites pour la description des températures moyennes de surfaces confortables et des pertes de chaleur par évaporation (transpiration!) par la peau selon l’activité.

La sensation subjective personnelle implique que malgré une « équation précise de confort », toutes les personnes ne se sentent pas toujours bien dans un climat intérieur déterminé.

Cette variation individuelle est décrite simplement par des calculs liant simultanément un indice d’évaluation du confort nommé PMV (predicted mean vote: vote prévisible moyen) avec un indice d’insatisfaction nommé PPD (predicted percentage of dissatisfied: pourcentage prévisible d’insatisfaits) [1.4]. L’indice PPD est une prédiction quantitative, reliée à l’indice PMV, indiquant le pourcentage de personnes insatisfaites avec un climat environnant déterminé qu’elles ressentent comme trop froid ou trop chaud.

L’échelle psychophysique de l’indice PMV compte 7 points s’étendant de –3 (froid) à +3 (chaud) en passant par 0 (neutre) (voir Fig. 1.21).

Le couple des indices PMV/PPD décrit la sensation thermique de l’ensemble du corps entre «trop froid» et « trop chaud ». Un inconfort thermique peut cependant aussi n’être ressenti que localement (nommé inconfort thermique local). Les phénomènes de courants d’air comptent parmis les motifs les plus souvent cités.

Les normes EN ISO 7730 [1.33] et EN 15251 [1.7] établissent des critères de confort autant « globaux » que « locaux » (voir aussi Annexes 9.7.1 et 9.7.2).

1.2.2 Confort hygro-thermique

La norme EN ISO 7730 [1.33] distingue trois catégories d’exigences pour un environnement thermique confortable (voir Tab. 1.13):

Le diagramme de la figure 1.22 permet de déterminer par exemple la température ambiante intérieure optimale θ_o (≙ valeur moyenne des températures des surfaces (« température radiante ») et de la température de l’air) selon l’activité et l’habillement ainsi que l’écart tolérable avec la température ambiante intérieure.

• humidité relative moyenne d’environ 50 %

• Vitesse de l’air: 0 m · s^–1 pour M < 1 met et 0,3 · (M–1) m · s^–1 pour M > 1 met

Des gradients locaux de température, comme par exemple une grande différence de température entre la tête et les pieds ou une température de plancher trop chaude respectivement trop froide, peuvent être ressentis comme inconfortables à cause des échanges de chaleur avec l’environnement immédiat (convection et conduction) (voir Fig. 1.23 à 1.25). Pour le chauffage au sol, des températures dépassant 26 °C doivent être évitées.

La température radiante moyenne θ_r est une température de remplacement pour toutes les surfaces environnantes permettant de prendre en compte les échanges de chaleur par rayonnement entre une personne et son environnement. Cette température radiante est calculée comme la valeur moyenne des températures des surfaces pondérées par les facteurs de forme (voir Annexe 9.7.4) depuis un point de référence dans la pièce [1.4]. Des différences entre les températures de surface d’éléments individuels de l’entourage [1.24] peuvent aussi provoquer une gêne thermique sur de grandes distances à cause des transferts de chaleur par rayonnement (phénomène dénommé asymétrie de rayonnement, voir Fig. 1.26).

Dans ce contexte les plafonds chauds (air chaud ascendant/chauffage par le plafond), les façades nord froides (manque d’échauffement par le rayonnement solaire) et les chutes d’air froid devant les fenêtres (mauvaise isolation thermique) sont particulièrement visés (voir Fig. 1.27). La chute d’air froid dans la couche limite d’une fenêtre mal isolée représente un phénomène souvent déploré qui influence de façon déterminante le confort à proximité de la fenêtre.

Les phénomènes de courants d’air conduisant à un refroidissement indésirable du corps sont générés par des différences de températures et l’effet cheminée. Ils représentent l’une des réclamations les plus fréquentes dans les locaux ventilés mécaniquement. Vitesse moyenne admissible de l’air (voir Fig. 1.28) dépend de la température de l’air et du taux de turbulence de même que de la sensibilité thermique du corps entier (PMV). Le taux de turbulence Tu décrit les fluctuations locales, rapides et aléatoires de la vitesse de l’air s’écoulant autour d’un objet. Un écoulement laminaire n’a pas de turbulence alors qu’un écoulement fortement turbulent peut présenter un taux Tu dépassant 1.

Des études de Fanger et al. [1.21] ont montré que les vitesses de l’air qui varient périodiquement sont ressenties de façon plus inconfortable que des courants d’air stationnaires. Pour une même vitesse moyenne et même température, des vitesses d’air fluctuant périodiquement, c.à.d des courants d’air turbulents, sont ressenties comme plus infonfortables quand le taux de turbulence est plus élevé. Ceci signifie que pour un PPD donné, une vitesse moyenne de l’air significativement plus élevée peut être admise si le taux de turbulence est réduit simultanément (→ extension du modèle de confort par un modèle de risque de courants d’air avec ce qui est dénommé l’indice DR [Draught Rating: pourcentage prévisible d’insatisfaits par courants d’air]). Le pourcentage d’insatisfaits par courants d’air se calcule par:

Tout comme pour la température ambiante intérieure, on peut déterminer un domaine de confort optimal pour l’humidité de l’air à l’intérieur en fonction de l’activité, de l’habillement etc. Pour des températures modérées (< 26 °C) et une activité physique modérée (< 2 met), l’influence de l’humidité est très légère. Trop peu d’humidité (< env. 30 %) durant les mois d’hiver provoque un assèchement des muqueuses; une humidité trop élevée – associée à un manque d’aération – est ressentie en été comme désagréable et moite. Le domaine du génie climatique fixe la plage acceptable pour le taux d’humidité de l’air entre 35 % et 70 %. Le taux d’humidité optimal pour des locaux chauffés se situe entre 40 % et 45 % [1.19]. Des taux d’humidité trop élevés lorsque la températrure extérieure est basse respectivement de basses températures de surface sur les éléments intérieurs de l’enveloppe peuvent conduire à la formation de moisissures ou même à des condensations superficielles.

En résumé, dans le secteur de l’habitat, pour des activités légères principalement assises, les « recommandations sur le confort » suivantes peuvent être posées, PPD_max. ~10–15 % [1.5, 1.6, 1.19, 1.20]:

• En hiver la température de l’air doit être de 21 (±1) °C dans les pièces de séjour et être réglable entre 20 et 23 °C. Dans les autres pièces – selon leur usage – des températures inférieures sont proposées (par exemple: sommeil: 15–18 °C, travail domestique, selon l’activité: 17–20 °C). En été des températures de l’air comprises entre 20 et 24 °C sont considérées comme confortables.
• L’écart entre la température moyenne des surfaces de tous les éléments constructifs de l’entourage et la température de l’air de devrait pas dépasser 2–3 K. Les différences entre les températures de surfaces individuelles ne devraient pas dépasser 3–4 K (H. U. Wanner). Selon P. O. Fanger, les températures confortables de plancher se situent normalement entre 19 et 26 °C. A proximité d’une fenêtre, une asymétrie de température radiante de 10 K peut encore être tolérée.
• La différence verticale de température entre la tête et les chevilles ne devrait pas dépasser 3 K tant en été qu’en hiver.
• En hiver un taux d’humidité relative de l’air de 40–45 % est confortable. Des valeurs inférieures à 30 % sont médicalement indésirables.

A l’emplacement d’un poste de travail assis, la vitesse des courants d’air ne devrait pas dépasser 0,15 m/s en hiver et 0,25 m/s en été.

La norme SIA 382/1 [1.8] définit une plage de température ambiante pour les bâtiments équipés d’installations de ventilation et de climatisation (Fig. 1.29).

En été, par des températures opératives intérieures > 25 °C, une augmentation de la vitesse de l’air peut être utilisée pour compenser la sensation de chaleur inconfortable due à ces températures élevées. Avec un courant d’air approprié, les limites supérieures de température peuvent être relevées de quelques degrés sans recourir à des installations techniques conséquentes (voir Fig. 1.30).

Pour favoriser l’acceptance des vitesses d’air plus élevées, il est nécessaire que l’utilisateur puisse avoir un contrôle direct sur la vitesse d’air locale.

Bien que par des températures moyennes habituelles (22 – 24 °C) l’évaporation ne joue pas un rôle dominant dans l’équilibre thermique de l’homme (voir Fig. 1.20), on relèvera une condition critique du confort estival: la diminution de la capacité d’évacuation de la chaleur à des températures plus élevées (> 30 °C) et à des taux d’humidité plus élevés (> env. 50 %). Voir à ce propos par exemple le Heat Index du service météorologique américain (NOAA) [1.41]; détails voir Annexe 9.7.5.

L’application de la norme EN ISO 7730 [1.33] n’est valable que pour des pressions partielles de vapeur d’eau ne dépassant pas 2650 Pa (voir Fig. 1.31). A des températures et des taux d’humidité plus élevés, une évaluation du stress thermique est nécessaire, c.à.d. qu’il faut clarifier combien de temps une personne peut supporter cette situation sans prendre de risques pour sa santé (coup de chaleur). La norme EN ISO 7933 [1.40] sert à évaluer ce genre de situation de stress.

Les paramètres présentés jusqu’ici concernent principalement le domaine du confort thermique. Aujourd’hui cependant, et aussi dans le contexte d’une pollution croissante de l’environnement (pollution de l’air, bruit du trafic etc.), on doit prendre en compte des exigences supplémentaires pour décrire un climat intérieur confortable intégral (par exemple: la qualité de l’air, le niveau maximal de bruit à l’intérieur, etc.).

1.2.3 Qualité de l’air intérieur (« air malsain »)

Dans le domaine de la qualité de l’air, les sources de pollution suivantes doivent être considérées en plus de l’humidité de l’air: les odeurs, les polluants de l’air ainsi que les poussières en suspension dans l’air. Les personnes chargent l’air intérieur non seulement de chaleur et d’humidité mais également de dioxyde de carbone, d’émanations, de particules, de micro-organismes et d’autres polluants [1.35].

A la place de travail, la limite de pollution admissible pour une substance nocive est répertoriée par ce que l’on appelle une valeur MAK (Maximale Arbeitsplatz-Konzentration: concentration moyenne maximale à la place de travail sans danger pour la santé de travailleurs présents 8 heures/jour et 40 heures/semaine).

Comme actuellement, et avant tout aussi dans les bâtiments de logements, on a affaire à des effets chroniques (expositions répétées sur une longue période de temps) de diverses substances à relativement faibles concentrations en partie présentes simultanément, les valeurs MAK ne peuvent pas être employées comme valeurs limites de concentration dans l’air intérieur pour les substances nocives pour la santé [1.22]. L’interaction des facteurs ‹ potentiel toxique › et ‹ dose › nécessite d’employer avec prudence une indication de « niveau sans effet » telle que par exemple une «Acceptable Indoor Concentration» (AIC) [1.23] compte tenu de son degré de fiabilité (voir Tab. 1.16).

Dans les domaines du logement et des services, l’apport nécessaire d’air frais est principalement réglé par un taux de renouvellement d’air dépendant du taux d’occupation. Le CO₂ produit par la respiration humaine sert de mesure de la pollution de l’air intérieur par les odeurs et les émanations (« nombre de Pettenkofer »/mesure de la concentration en dioxyde de carbone).

La concentration en CO₂ peut se mesurer par absorption du rayonnement infra-rouge. Fanger [1.21] a développé un graphique très utile qui illustre la relation entre la concentration en CO₂ et le pourcentage d’insatisfaits entrant dans un local où l’air est vicié et qui se plaignent d’un ‹ air malsain › (Fig. 1.32).

Pour pouvoir garantir un niveau de CO₂ maximal de 1500 ppm (« valeur de précaution ») respectivement de 1000 ppm (« valeur cible », appelée nombre de Pettenkofer) dans des locaux fermés avec une production moyenne de CO₂ d’environ 19 l/h par la respiration humaine, un apport d’air frais minimal de 15 m³/(h·personne) respectivement 25 m³/(h · personne) est nécessaire en moyenne. La norme ‹Critères d’ambiance intérieure pour la conception et évaluation de la performance énergétique des bâtiments couvrant la qualité de l’air intérieur, la thermique, l’éclairage et l’acoustique› (EN 15251:2007) [1.7] recommande des concentrations en CO₂ en fonction du niveau de confort pour les calculs énergétiques et le contrôle en fonction des besoins, par exemple:

• Cat. A: de 700 à 750 ppm environ
• Cat. B: de 850 à 900 ppm environ (exigences correspondant approximativement au nombre de Pettenkofer)
• Cat. C: de 1150 à 1200 ppm environ

La même norme procure des taux de renouvellement d’air indicatifs pour les logements en fonction de l’utilisation (voir Tableau 1.18).

La fumée de tabac dont certains de ses constituants sont cancérigènes est l’un des polluants les plus significatifs de la civilisation moderne. La teneur de l’air en CO peut être employée comme élément clef pour évaluer la qualité de l’air dans les locaux pour fumeurs.

Afin de ne pas dépasser 5 ppm CO (voir Tableau 1.16), un débit d’environ 12,5 m³/h d’air frais est nécessaire en plus pour chaque cigarette.

De récentes recherches tentent d’établir une classification des odeurs sur la base d’appréciations de leurs natures et de leurs intensités par des ‹ groupes de nez ›. Pour définir une source standard d’émission d’effluents on considère un « individu standard » (1 olf ≙ odeur corporelle et évaporation provoquée par une personne avec 1,8 m² de surface de peau, assise (1 met), se douchant 0,7 fois par jour et changeant quotidennement de vêtements). Une source d’odeur quelconque peut être décrite à l’aide du nombre équivalent de sources standards qui globalement provoquent une odeur subjectivement ressentie comme comparable. Par des expériences menées en laboratoire, des groupes de personnes tests (‹ groupes de nez ›) ont permis de déterminer comment l’odeur d’une personne standard est ressentie au moment où l’on pénètre dans la pièce en fonction du débit d’air propre avec lequel elle est ventilée. Le decipol est la mesure de la charge olfactive provoquée par les polluants de l’air. Il décrit la pollution de l’air ressentie dans une pièce contenant une ‹ source de pollution standard › de 1 olf et ventilée par un débit d’air frais de 10 l/s (1 decipol = 1 olf par 10 l/s = 0,1 olf/(l/s)).

Une ventilation efficace ne doit cependant pas uniquement être conçue selon les débits d’air cités plus haut mais doit intégrer une vision plus nuancée de façon à atteindre les objectifs suivants: remplacement de l’air vicié par de l’air frais dans la zone occupée et évacuation des polluants (→rendement de ventilation et efficacité de la ventilation, voir Chapitre 4.4.2).

1.2.4 Critères de confort acoustique

L’exposition au bruit s’impose de plus en plus dans le débat actuel sur la pollution de l’environnement et la qualité de vie. Une exposition de longue durée au bruit peut induire des problèmes de santé et de diminution des performances. La variété des paramètres du bruit dont il faut tenir compte (intensité du bruit, contenu fréquentiel, durée, instant et fréquence d’occurence, degré de sensibilité personnelle etc.) implique encore des incertitudes dans la détermination de valeurs limites d’immission, car la relation dose-effet (c.à.d. la relation entre l’exposition au bruit et ses effets sur la santé spécialement dans le domaine des réactions physiologiques et neurologiques) est insuffisamment spécifiée. Des expériences médicales montrent que des troubles du sommeil peuvent être induits à partir d’un niveau sonore moyen à l’intérieur de 30 dB(A) et que des interruptions du sommeil peuvent se produire à partir de 60 dB(A) [1.27, 1.34].

Dans les quartiers d’habitation par exemple, l’immission moyenne de bruit – mesurée devant une fenêtre ouverte – ne doit pas dépasser 50 dB(A) de nuit.

Avec un volume sonore et une durée d’exposition conséquents, la musique peut causer des dommages incurables à l’oreille interne tout comme un bruit excessif à la place de travail. La limite d’exposition au bruit correspondant à un niveau sonore de 87 dB(A) pendant 40 heures/semaine qui est prescrite pour les places de travail, est clairement dépassée dans les discothèques et en particulier lors des concerts de Rock. Non seulement le niveau sonore maximal mais aussi l’énergie acoustique totale qui est captée (la dose!) sont déterminants; voir Fig. 1.33.

Sur une place de travail, le niveau d’exposition au bruit ne doit pas dépasser la valeur L_EX (valeur journalière sur 8 heures) du Tableau 1.21.

1.2.5 Climat lumineux

Une bonne lumière – que ce soit par un éclairage naturel ou artificiel – est nécessaire pour que l’activité puisse être réalisée dans des conditions de visibilité optimales. Les exigences en matière d’éclairage selon la norme EN 12464-1 [1.26] sont rassemblées au Tab. 1.22. Les critères suivants (spécifiés par ordre approximatif d’importance) sont primordiaux pour un éclairage de qualité: [1.26]):

• utilisation de la lumière du jour aussi longtemps que possible (éclairage naturel)
• protection contre les reflets gênants et l’éblouissement direct
• niveau d’éclairement convenable
• répartition harmonieuse des luminances
• ombrage naturel
• couleur de la lumière appropriée et restitution satisfaisante des couleurs
• pas de scintillement

De grandes différences de luminances sont à éviter. Pour les surfaces principales d’une pièce, les facteurs de réflexion suivants sont recommandés:

• Plafonds: 0,6 à 0,9
• Murs: 0,3 à 0,8
• Plans de travail: 0,2 à 0,6
• Sols: 0,1 à 0,5

En plus des paramètres de confort déjà mentionnés issus des domaines de la chaleur, de l’humidité, des courants d’air, de la lumière et du bruit, la recherche actuelle sur le confort s’intéresse à d’autres phénomènes qui influencent le confort et la santé des personnes, par exemple: l’électro-smog, les rayonnements radioactifs, les poussières et micro-organismes, etc.