Le maintien d’une température centrale du corps humain autour de 37°C s’effectue au moyen d’un ensemble d’échanges, tant internes (c’est le métabolisme) qu’externes, dont le volume comme les mécanismes varient selon trois paramètres déterminants : l’activité, la façon de se vêtir et l’ambiance. Le confort thermique embrasse les techniques mises en œuvre pour réguler l’ambiance intérieure d’un local en fonction des fluctuations du climat à l’extérieur.
Les échanges entre le corps et l’ambiance
Toutes les formes de transfert thermique sont mobilisées dans les
échanges calorifiques entre le corps humain et son environnement, et il est illusoire d’espérer obtenir un bon niveau de confort thermique si on en néglige une seule. Toutefois, le vêtement influence assez sensiblement ces modes d’échange.
La convection
C'est le brassage de l'air résultant des différences de température. L'air chaud ayant tendance à s'élever, se crée un mouvement naturel généré par une source de chaleur. C'est le principe de chauffage d'un radiateur à efffet joule : le convecteur. La convection est ressentie au niveau de la peau. Elle provoque un échange thermique activé par une circulation naturelle de l’air (à une vitesse de l’ordre de 0,3 m/s) créée par le tirage thermique généré par la chaleur corporelle. Ces échanges sont amplifiés par la diffusion de l’air, naturelle ou provoquée, dans l’environnement immédiat du corps.
Le rayonnement
Le rayonnement joue un rôle réciproque entre le corps et les parois qui l’environnent. On s’en rend bien compte quand on ressent une impression de froid en s’approchant d’une fenêtre, l’hiver, ou au contraire quand on se situe près d’une paroi chauffée au grand soleil, l’été. On le ressent en passant de l'ombre à l'ensoleillement alors que le température de l'air reste constante.
De ce fait, l’
orientation du logement influe sur le confort thermique de ses occupants, puisqu’elle détermine l’apport de chaleur par ensoleillement comme l’activation des pertes thermiques par fort vent. Il en va de même pour l’architecture de chaque pièce, et en particulier l’importance et l’ensoleillement des baies vitrées. Ce principe est exploité par certains appareils de chauffage, à 100 % (les panneaux rayonnants) ou partiellement (les radiateurs de chauffage central qui mixtent rayonnement et convection).
L’évaporation à la surface de la peau
L’évaporation à la surface de la peau, négligeable en ambiance froide, prend une grande importance quand la chaleur ambiante provoque le phénomène de sudation. Dans ce dernier cas, les mouvements de l’air ambiant peuvent amplifier l’impression de rafraîchissement (c’est le rôle des ventilateurs) en accélérant l’évaporation de la sueur.
Les critères globaux
La “machine thermique du corps humain” réagit aux variations de ces paramètres par les phénomènes du métabolisme, essentiellement en véhiculant la chaleur par le réseau sanguin.
Pour atteindre le confort global, il faut que ces mécanismes cessent d’intervenir. On a alors trouvé un équilibre entre le corps et son environnement. Mais cet équilibre reste précaire, car il peut être modifié par plusieurs critères.
L’activité peut faire varier le métabolisme basal dans de grandes proportions : un adulte de taille moyenne dégage environ 80 W au repos complet et jusqu’à 250 W environ pendant un travail pénible ou et plus encore lors de la pratique d'un sport violent, et en passant par 90 à 150 W au cours d’activités moyennes (petits travaux ménagers, travail en station debout, etc.). On comprend alors pourquoi la température de confort ne peut pas être la même dans une pièce où s’exerce une activité importante (comme la cuisine) et dans celles qui sont réservées au repos.
La vêture (ou façon de s'habiller) a des effets très difficiles à quantifier. Ils dépendent autant de la constitution du vêtement, qui détermine sa résistance thermique (et freine donc les échanges par rayonnement et convection), que de sa coupe, qui peut ralentir les échanges par évaporation ou au contraire les améliorer par “l’effet de soufflet” d’un vêtement flottant.
L’ambiance a un effet fondamental sur la sensation de confort thermique. La maîtrise de ses paramètres caractéristiques est donc importante pour concevoir un environnement capable d’assurer un bon confort moyennant le plus faible coût énergétique :
- les pertes thermiques par convection dépendent de la température de l’air et de ses mouvements, qu’ils soient naturels (convection), ou générés par la ventilation (vitesse, turbulence) ;
- la température rayonnante moyenne des parois, telle que le corps les ressent, est fondamentale pour les échanges par rayonnement et dépend de la nature des surfaces et de leur distance par rapport au corps ;
- le degré hygrométrique n’a qu’un rôle très secondaire par temps froid, mais prend une importance croissante en fonction de la température ambiante, car les échanges par évaporation se réduisent d’autant plus que le taux d’humidité est élevé (la sensation de “chaleur lourde” par temps très humide). En freinant l’évaporation de la sueur, l’hygrométrie génère un inconfort thermique proportionnel à la surface de peau mouillée par la sueur.
L’indice “PMV”
Le confort ressenti est quantifié selon un indice normalisé (ISO 7730) : le PMV (
Predicted Mean Vote).
Il s’agit cependant d’une indication très relative, intéressante surtout pour comparer des situations différentes dans un environnement donné, ou, au contraire, la réaction d’un individu stable dans des ambiances variées.
Le PMV a conduit par exemple, à établir des températures idéales :
- 24,5 °C en été avec une vêture légère ;
- 22,0 °C en hiver avec une vêture chaude.
L’analyse des réactions d’individus placés dans une ambiance fluctuante fait apparaître une “zone de confort” située,
été comme hiver, entre 22,5 et 26,5 °C, selon l’activité et la vêture.
Les apports de chaleur
Aucun local ne peut être considéré comme un ensemble thermique stable. En l’absence de toute intervention correctrice (chauffage ou rafraîchissement), son bilan thermique est le résultat d’échanges avec l’extérieur (que l’isolation vise à réduire) et de l’accumulation d’apports de chaleur à l’intérieur. Le bilan thermique d’un logement fluctue donc au gré des
conditions climatiques environnantes, ainsi qu’en fonction du nombre de personnes qui l’occupent et de l’activité qu’elles y développent, activité qui met souvent en jeu des équipements dont le fonctionnement dégage aussi de la chaleur (ordinateurs, consoles de jeux, téléviseurs, etc.).
D’autres phénomènes d’ambiance apportent aussi de la chaleur (ou de la fraîcheur), ce qui modifie le
bilan thermique, donc le travail demandé aux équipements de chauffage ou de climatisation, selon la saison.
Les appareils électriques fournissent l’essentiel des apports internes au logement. On considère que toute la puissance électrique qu’ils consomment se retrouve sous forme de chaleur cédée à l’atmosphère. Or, la notion de confort est justement devenue inséparable de l’emploi d’équipements électroménagers et de loisirs sans cesse plus nombreux et diversifiés.
Malheureusement, on oublie souvent que l’adjonction de nouveaux appareils électroménagers, si elle bénéficie au chauffage d’hiver, alourdit le travail qui sera demandé à la climatisation pendant les jours chauds, donc la consommation d’énergie. C’est ainsi que certains foyers s’étonnent de voir la consommation de leur système de climatisation augmenter de façon impressionnante, alors qu’ils ont installé un deuxième ordinateur (pour les enfants) et un lecteur de DVD (en plus d'une box). Tous ces appareils fonctionnent plusieurs heures par jour, et souvent aux moments les plus chauds de la journée.
L’hygrométrie participe de façon insidieuse aux modifications de l’équilibre thermique d’un local, par l’action de la chaleur latente de l’eau, libérée par la condensation sur les parois froides (vitres, murs).
La recherche d’un bon confort thermique nécessite donc de
réguler l’hygrométrie de l’atmosphère d’un logement.
La ventilation contribue évidemment à modifier l’équilibre thermique d’un logement, en conjuguant deux phénomènes, parfois partiellement contradictoires :
- l’apport d’air extérieur, frais en hiver, chaud en été, mais par principe le plus souvent en opposition avec les besoins des occupants du logement;
- l’évaporation créée par le brassage de l’air, qui a pour effet d’abaisser la température de celui-ci, phénomène que l’on exploite sans y porter attention quand on crée un courant d’air ou que l’on met en marche un ventilateur.
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