En région tropicale, il existe deux manières d'établir un excellent confort thermique dans l'habitat :

• la climatisation naturelle :   en adaptant le bâtiment aux atouts du climat et du site.
• la climatisation artificielle : en installant un conditionneur d'air ou un climatiseur.

Toutefois, la climatisation naturelle est préférable au climatiseur pour au moins trois raisons :

• les conditions climatiques particulièrement clémentes en régions tropicales font que, dans une maison bien conçue, le confort thermique est tout à fait satisfaisant,
• le confort thermique naturel présente des qualités spécifiques : ni bruit, ni impression d'enfermement, ni maladie due à la climatisation artificielle,
• ce confort ne coûte rien en frais d'exploitation. Rappelons qu'une maison équipée d'un climatiseur voit sa consommation électrique doubler !

CLIMATISATION NATURELLE

Principe de la climatisation naturelle

Un climat tropical humide se caractérise par une température relativement élevée et une grande humidité . C'est la combinaison de ces deux facteurs qui est à l'origine de la sensation d'inconfort. Néanmoins, ce type de climat est agréable à l'extérieur, à l'ombre et sous une brise légère. L'objectif de la climatisation naturelle est de recréer à l'intérieur des conditions de confort thermique similaires.

Pour reproduire ces conditions thermiques idéales, deux écueils doivent être évités :

• la surchauffe des locaux due au rayonnement solaire,
• l'absence de circulation d'air.

Aussi une bonne conception architecturale doit-elle reposer sur deux principes fondamentaux :

• La protection solaire du bâtiment.
  Un bâtiment mal protégé du soleil génère une surchauffe à l'intérieur. Cette surchauffe peut être combattue efficacement par des moyens relativement simples : ombre, ventilation...
• Le développement de la ventilation naturelle.
  Cette dernière contribue non seulement à refroidir les locaux, mais surtout elle favorise le processus de sudation, véritable climatiseur du corps humain. Les moyens de développer la ventilation naturelle sont le thème principal de ce dossier.

Quelques chiffres

• Une bonne protection solaire doit maintenir le local à une température similaire à celle régnant à l'extérieur à l'ombre.
• Une bonne ventilation naturelle doit développer une vitesse d'air de 1 m/s aux heures les plus chaudes. Ce qui procure une sensation de fraîcheur représentant une diminution de la température de 3 à 4°C.
• Dans une maison bien conçue, un confort thermique "équivalent" à 26°C est escompté aux heures les plus chaudes de la journée.

Les trois fonctions de la ventilation

Selon son débit, la ventilation naturelle peut assurer trois fonctions :

• débit faible (1 à 5 volumes/heure): maintenir des conditions d'hygiène par évacuation de l'air vicié et de l'excès d'humidité,
• débit moyen (20 à 50 volumes/heure): évacuer la chaleur interne et refroidir. A 30 volumes/heure, on obtient 85% de l'effet de refroidissement pour un local à structure légère (bois, tôle) et 80 % pour un local à structure lourde (parpaings).
• débits forts (au-delà de 100 volumes/heure): confort thermique des occupants.

La ventilation optimale de confort, sans gêne pour les occupants (pas d'envol des feuilles de papier, etc), est de l'ordre de 1 m/s. Au-delà, le bénéfice de confort thermique est moindre compte tenu des gênes occasionnées.

VITESSE D'AIR :    1 m/s   =>   3 A 4°C de fraîcheur

Un débit jusqu'à 30 volumes/heure, nécessaire à l'évacuation de la chaleur, est facilement obtenu par l'ouverture des baies, sans conception particulière du local. Par contre, l'obtention d'une ventilation naturelle développant les vitesses d'air indispensables au confort thermique des occupants est plus difficile et nécessite une conception appropriée du bâtiment.

Les critères de la ventilation

Ventiler un local en utilisant le vent consiste à utiliser la différence de pression existant entre les différents murs d'un local, la circulation d'air s'établissant entre les ouvertures. Deux types de paramètres régissent les courants traversants :

• le potentiel du site, selon :
  • l'importance et la régularité du vent,
  • la présence d'éléments déventant le site (colline, vallée, cocoteraie,...),
  • la nature de l'environnement (milieu urbain, dégagé, barrière végétale,...).

• les performances du local, selon :
  • l'orientation du bâtiment et des ouvertures par rapport aux vents dominants,
  • Le nombre d'ouvertures sur les façades,
  • la circulation intérieure (définition des cloisons intérieures, portes,...),
  • la forme et la dimension du local.

Les meilleurs résultats sont obtenus :

• lorsque l'axe des principales ouvertures coïncide avec la direction des vents dominants, (est/ouest),
• avec l'orientation où l'exposition solaire est maximale pour les ouvertures, mais la plus difficile à protéger.

S'adapter aux contraintes

Profil des vents

Les alizés sont le principal potentiel de vent en région tropicale (vent de secteur Est). Ils peuvent être complétés par de petits vents thermiques comme le vent de la terre et de la mer. Excepté les zones protégées ou très urbanisées, le potentiel de vent est généralement suffisant pour établir une bonne ventilation. Le vent atteint généralement son maximum d'intensité aux heures les plus chaudes, c'est-à-dire au moment où il est le plus utile. La nuit, le vent est plus faible. Ce n'est nullement gênant dans la mesure où les besoins en ventilation sont plus faibles.

Sites venteux

Ils se situent généralement en bord de mer ou en milieu dégagé. Une bonne conception doit amener un profil de vitesse de l'ordre de 1 m/s aux heures les plus chaudes.
Il existe des moyens de réguler la vitesse d'air à l'intérieur des locaux : les lames orientables. Celles-ci protègent du soleil et offrent la possibilité de moduler la ventilation par l'inclinaison des lames. Thermiquement, le meilleur matériau pour ces lames est l'aluminium.

Autres cas

En zone urbaine dense ou dans tous les sites confinés ou soumis à la pollution et au bruit, il est illusoire de compter sur une bonne ventilation des locaux. Si l'obtention d'une ventilation de confort paraît hors de portée, il est toujours possible d'évacuer la charge thermique. Pour pallier l'insuffisance de vitesse, il existe un moyen peu coûteux : le brasseur d'air.

Un brasseur d'air est toujours préférable à un climatiseur : sa consommation est bien moindre.

Orientation et dimension des ouvertures

Deux phénomènes antagonistes interviennent pour le dimensionnement des ouvertures. En effet, un accroissement des dimensions des baies entraîne :

• les avantages liés au développement de la ventilation,
• les inconvénients d'un risque de surchauffe dû aux apports solaires par les ouvertures.

Il en va de même quant à l'orientation du bâtiment : l'orientation la plus favorable à la ventilation est également la plus exposée au soleil.

Orientation nord/sud

Le potentiel de ventilation est moindre qu'en direction est/ouest, mais l'exposition solaire des ouvertures est nettement moins importante. De plus, il est facile de protéger du soleil les ouvertures nord/sud. Des baies couvrant 40 à 60% des façades sont un bon compromis pour une ventilation satisfaisante.

Orientation est/ouest

C'est la meilleure orientation pour mettre à profit les vents dominants pour ventiler la maison. Mais l'exposition solaire des ouvertures est 2 à 3 fois plus importante qu'en direction nord/sud et est difficile à protéger. 30% de surface d'ouverture sont un optimum raisonnable permettant une bonne ventilation. Mais, pour éviter les risques de surchauffe, des protections solaires spécifiques doivent être prévues.

Questions/réponses

La ventilation nocturne est-elle indispensable ?

Cela dépend de la structure du bâtiment.

Pour les bâtiments légers, de faibles débits d'air sont suffisants pour deux raisons :

• compte tenu de la faible inertie thermique, il n'y a pas de stockage de la charge solaire reçue durant la journée,
• les conditions nocturnes du local sont les mêmes qu'à l'extérieur (fraîches) : il n'est pas nécessaire de développer des vitesses d'air élevées.

Dans le cas de bâtiments lourds, du fait du stockage thermique pendant la journée, une ventilation nocturne s'avère nécessaire pour les refroidir. Des débits moyens de l'ordre de 30 volumes/heure sont suffisants. Cela impose la contrainte de l'ouverture des baies la nuit, ce qui ne va pas toujours dans le sens des habitudes établies...

Les cloisons intérieures sont-elles un frein à la ventilation ?

Les cloisons ne constituent réellement une entrave à la circulation de l'air que lorsque la perméabilité (pourcentage d'ouverture) des cloisons intérieures est inférieure à la perméabilité des façades. Dans le cas d'une perméabilité égale, la perte de ventilation est relativement faible : environ 15 % comparativement à un local sans cloison.

Comment dimensionner la ventilation des combles ?

La ventilation des combles permet d'évacuer plus de 30 % de la charge solaire reçue par la toiture. Pour cela une ventilation de 30 à 40 volumes/heure est nécessaire. Pour le dimensionnement des ouvertures, on peut, dans le cas d'un bâtiment à un niveau, s'inspirer des ratios suivants :

• ouvertures placées dans l'axe des vents dominants : 0,2 m2 d'ouverture (sur chaque pignon) pour 30 m3 de volume de comble. Attention : prévoir, par sécurité, des fermetures anticycloniques, montables, pouvant être rapidement installées en cas de nécessité.
• orientations quelconques ou défavorables : 0,3 m2 d'ouverture (sur chaque pignon) pour 30 m2 de volume de comble. Pour des bâtiments à plusieurs niveaux ou de grande hauteur, on peut réduire ces ratios.

Implantation du bâtiment

Dans les climats chauds, la conception architecturale doit mettre en oeuvre toutes les opportunités :

• limiter géométriquement les apports solaires,
• favoriser la ventilation naturelle par les ouvertures.

Pour les bâtiments neufs, orienter le bâtiment de façon à réaliser une bonne exposition solaire du bâtiment. L'axe longitudinal du bâtiment doit être Est/Ouest (façades principales au nord et au sud).

CLIMATISATION ARTIFICIELLE

Dans les régions tropicales humides, la croissance du parc des matériels de conditionnement d'air est importante. La diffusion rapide de ces équipements gros consommateurs d'énergie électrique pose toutefois quelques problèmes. Le bilan énergétique s'alourdit, augmentant les importations pétrolières lorsqu'on n'utilise pas les énergies renouvelables.

Quelques chiffres éloquents…

Saviez-vous que le climatiseur est l'équipement le plus consommateur d'électricité ? Une chambre d'hôtel, un grand bureau, c'est 1 à 5 MWh/an de consommation électrique !

Les déterminants de la demande en climatisation sont liés :

• à des paramètres objectifs:
  • En région tropicale humide, la température et l'humidité atteignent simultanément des niveaux élevés. L'installation est utilisée pour corriger ces aléas climatiques.
  • Productivité accrue ou renforcement de l'image d'une entreprise ou nécessités d'ordre technique dans le domaine du tertiaire (salles informatiques, blocs opératoires,...).
  • Mauvaise conception des bâtiments. La construction dite "moderne" reposant sur les préceptes des standards occidentaux, peu adaptés au climat tropical humide, elle génère un inconfort latent structurel.
• à des paramètres subjectifs : phénomène de mode, qualité de la vie et coût d'investissement relativement faible, surtout en habitat individuel.

Choix d'une installation

La climatisation artificielle contrôle à l'intérieur des locaux la température et l'humidité de l'air. Ce résultat est toujours obtenu par extraction de chaleur et pulsage de l'air traité (refroidi, déshumidifié, chauffé, purifié).
Dans le secteur tertiaire, on devrait utiliser essentiellement des installations de climatisation centralisée.
Pour les particuliers, l'utilisation de climatiseurs de type Inverter s'impose.

Alors, comment choisir une installation ?

Il n'existe pas de méthodologie absolue. Le choix d'une installation de climatisation dépend de la particularité du projet, des exigences du client, du budget... Parmi les solutions proposées, toutes ne sont pas équivalentes, notamment d'un point de vue de la consommation énergétique (par exemple, les installations de type Inverter consomment nettement moins d'énergie que les installations classiques).

Quel critère de choix retenir ?

Le coût global, un excellent critère

L'aspect financier est souvent prédominant dans la prise de décision. L'examen du prix d'achat matériel doit impérativement être complété par les frais d'entretien et d'exploitation. Avant de fixer son choix, une analyse complète du coût global sur plusieurs années est la meilleure solution pour optimiser les différents budgets.
Les frais d'exploitation (consommation électrique) sont de très loin le poste le plus important devant le prix d'achat initial et les frais de maintenance.
C'est pourquoi il est TOUJOURS préférable d'investir sur du matériel performant et de qualité, même plus cher en coût d'achat initial mais infiniment plus rentable à l'usage.

Une installation adaptée

• Une connaissance de ses besoins réels est indispensable pour définir le cahier des charges. Que va-t-on exiger ?
  • Une simple demande de rafraîchissement (sans contrôle de température, ni d'humidité) ?
  • Une consigne simple (température contrôlée, humidité accessoire) ?
  • Une double consigne (température et humidité) ?
  A chaque cas de figure correspond des matériels et des consommations énergétiques bien différents (consommations croissantes dans le sens 1 à 3).

• Pas de surpuissances inutiles : une surpuissance inutile, notamment au niveau du compresseur, se traduit par un fonctionnement en sous-charge et l'installation, trop puissante, fonctionnera avec un mauvais rendement.

• Régulations internes de l'installation : limiter la température basse de l'air soufflé (pour éviter les sensations de froid localisées).

• Optimiser le rendement thermodynamique. Il y a toujours intérêt à rechercher :
  • une température d'évaporation la plus élevée possible,
  • une température de condensation la plus basse possible,
  • Un large dimensionnement des surfaces d'échanges (évaporateur, condenseur),
  • Pour le fluide caloporteur, une température de distribution la plus élevée possible.

• Réduire les pertes par les canalisations. Le calorifugeage des canalisations du groupe froid limite les pertes thermiques et la surchauffe des gaz aspirés. Par l'isolation des gaines d'aération, on diminue les pertes de distribution et les risques de condensation.

Adopter un comportement rationnel !

Réglage des valeurs

A quelle valeur régler les niveaux de températures et d'humidité ?
Un écart de plus de 8°C entre l'intérieur et l'extérieur est reconnu non souhaitable : sensation de chaud et de froid, rhume... II y a intérêt à régler la température à une valeur la plus élevée possible, compatible avec un bon confort. 25°C est un bon compromis, une température plus basse ajoute peu à l'amélioration du confort thermique.
Par ailleurs, une différence de 1°C dans la valeur de température a des répercussions importantes sur la consommation d'énergie (compter 10 à 20% d'économie d'énergie pour une valeur passant de 24°C à 25°C.

L'intermittence

Le fonctionnement intermittent de la climatisation (par programmation) est une façon rationnelle de gérer l'installation. L'arrêt nocturne d'une climatisation de bureaux réduit la consommation d'environ 20%.

Contrôle du renouvellement d'air

A l'opposé des pratiques en climatisation naturelle, la ventilation des pièces doit être réduite au taux minimal hygiénique de renouvellement d'air (1 volume/heure ou plus selon le nombre d'occupants).

Inutile de faire fonctionner la climatisation lorsque toutes les portes et fenêtres ne sont pas fermées.

En effet, la ventilation est une source d'apports calorifiques non négligeables : température élevée de l'air extérieur, déshumidification de l'air. Un taux de renouvellement d'air de 1 volume/heure représente déjà plus de 10% des apports totaux d'un local. Un taux de 5 volumes/heure peut faire doubler la consommation du climatiseur. Il est donc nécessaire de contrôler très exactement le renouvellement d'air en veillant à :

• prévenir les infiltrations par une bonne étanchéité des portes et des fenêtres (les lames orientables en verre, en métal ou en bois sont à proscrire car peu étanches à l'air en position fermées),
• régler le taux de renouvellement d'air par un procédé fiable.