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Le confort thermique d’été derrière le verre. Les indicateurs de confort classiques sont-ils suffisants ?

Le rayonnement froid des surfaces vitrées est désormais maîtrisé grâce aux revêtements à faible émission des vitrages et des triples vitrages. Qu'en est-il du confort estival derrière une vitre ?

Le phénomène est bien connu. Un jour d'été, nous sentons le soleil brûlant à travers la vitre de notre voiture sur notre bras nu, malgré le fait que la climatisation soit au maximum. Le même phénomène existe dans les bâtiments. L'inconfort thermique peut se produire en été lorsqu'une personne se trouve près d'une fenêtre, même si le bâtiment est rafraîchi et même si un verre de "contrôle solaire" a été choisi. [Arens, 2015]

Thermal summer comfort

Modélisation du confort

Ce phénomène d’inconfort n’est pas détecté par les méthodes actuelles d’analyse du confort, même avec des simulations dynamiques du confort intérieur. Les normes récentes d’évaluation du confort, telles que la norme américaine ASHRAE 55, la norme ISO 7730 et la norme européenne CEN-16798 (qui succède à la norme EN 15251), ignorent complètement l’effet du rayonnement à ondes courtes, qui est typique du rayonnement solaire direct sur le corps humain. [Arens, 2015]

Les indicateurs de confort classiques tels que le PMV (vote moyen prédit) et le PPD (pourcentage prédit de mécontents), définis par le professeur danois Povl Ole Fanger en 1970, simplifient les conditions limites de l’analyse de confort et font abstraction à la fois du rayonnement solaire direct sur une personne et de la position physique de la personne dans la pièce. Dans ces modèles, seule la température radiante moyenne des surfaces est prise en compte. Cela ne tient pas compte de certains des facteurs les plus importants de la perception du confort. [Hoffman, 2012]

Pour tenter d’y remédier, des modèles de confort plus avancés ont été développés. Ces modèles de confort prennent en compte les températures de rayonnement des surfaces environnantes individuellement et en fonction de la position physique de la personne (température opérationnelle dirigée), de sorte que l’asymétrie de rayonnement peut être déterminée. Cette méthode ne couvre qu’une partie des causes possibles de l’inconfort. Les effets du rayonnement solaire direct (rayonnement à ondes courtes) sur le corps de la personne ne sont pas non plus pris en compte selon cette approche. [EQUA, 2018]

Pour l’évaluation du confort thermique à proximité d’une façade vitrée, les approches ci-dessus sont donc inadéquates.  De nouveaux modèles ont été développés pour décrire mathématiquement un tel phénomène.

Le modèle de confort de Berkeley interprète le confort par l’effet de diverses influences environnementales sur le corps humain, telles que la convection, le rayonnement à ondes longues, le rayonnement à ondes courtes, le rayonnement diffus et le rayonnement direct. À cette fin, le corps humain est divisé en 18 zones et les réactions métaboliques sont également prises en compte. [Hoffman, 2012]

Dans une application pratique de ce modèle dans une chambre d’hôpital à Denver, avec un rayonnement de pointe de 985 W/m² (pour référence : le rayonnement de pointe en Belgique est de 750W/m²) et en supposant 3 combinaisons de vitrage/shading : 1) un vitrage clair sans stores extérieurs et 2) un vitrage avec une valeur g de 0,33 (33% de l’énergie solaire incidente est laissée passer ; un vitrage clair classique laisse passer 60% à 70% du rayonnement solaire) une fois sans et 3) une fois avec des stores extérieurs, les observations suivantes ont été faites [Hoffman, 2012] :

L’étude montre que seule la dernière combinaison apporte un confort suffisant. Bien que les vitrages ayant une valeur g de 33% laissent entrer beaucoup moins d’énergie solaire, il semble qu’une faible valeur g ne contribue que de manière limitée au confort thermique d’un corps humain à proximité de la fenêtre. La valeur g ne semble donc pas être un indicateur adéquat du confort thermique.  En revanche, les stores extérieurs semblent améliorer sensiblement le confort thermique.

Ce modèle mathématique d’Arens et al. permet également de visualiser l’impact du rayonnement solaire direct sur la température radiante moyenne (TRM) dans une pièce.

confort/inconfort local de différentes parties du corps avec verre de protection solaire sans protection solaire supplémentaire

L'impact de la protection solaire intérieure

Il est communément admis que les stores intérieurs sont moins efficaces pour contrôler l’énergie solaire que les stores extérieurs.  Au moyen d’analyses spectrales dans le logiciel de simulation EQUA IDA ESBO 2.3, qui calcule les transmissions sous les différents spectres et les différents angles d’incidence du rayonnement solaire au moyen d’une analyse spectrale complète, les valeurs g combinées (verre + store, définies comme g(tot)) et les autres phénomènes qui peuvent se produire lors de l’utilisation d’un store intérieur pour améliorer le confort thermique à proximité des sections de façade vitrées ont été étudiés.  Les combinaisons suivantes ont été étudiées: 1) verre avec une valeur g de 0,45 et un écran de protection solaire intérieur blanc, 2) verre avec une valeur g de 0,45 et un écran de protection solaire intérieur hautement réfléchissant de type Verosol Enviroscreen, 3) verre avec une valeur g de 0,33 et un écran de protection solaire intérieur hautement réfléchissant de type Verosol Enviroscreen.  À titre de comparaison, un arrangement avec une valeur g du verre de 0,33 et un écran extérieur (gris clair) est ajouté.

Seule la combinaison d’un verre ayant une valeur g de 0,33 et de stores intérieurs très réfléchissants permet d’obtenir une valeur g(tot) de 0,15, qui est citée par Arens comme limite supérieure pour atténuer suffisamment l’effet du rayonnement à ondes courtes.  Cependant, nous constatons qu’un deuxième effet se produit, à savoir le réchauffement de la toile d’ombrage intérieure.  Cet échauffement entraîne un rayonnement à ondes longues (infrarouge), qui est à son tour source d’inconfort.

visualisation de l'élévation virtuelle du TRM due à l'irradiation solaire directe avec le CBE MRT visualiser (Center for the Built Environment Berkeley)

Qualité de la lumière du jour

La réduction de la valeur g du verre au moyen de revêtements et/ou de teintes a deux effets secondaires liés. Tout d’abord, la transmission de la lumière (LTA) diminue car les revêtements et/ou la teinte laissent passer moins de lumière.  Ensuite, la solidité des couleurs diminue, car seule une partie du spectre visible de la lumière solaire est transmise. Ce spectre lumineux joue un rôle particulier dans le contrôle du cycle hormonal du corps humain et donc dans le bien-être physique et émotionnel de l’occupant du bâtiment.

Sentiment subjectif de confort

Le confort dépend en partie de l’individu. Cela dépend également des conditions objectives. Des recherches approfondies ont montré que pour les mêmes conditions objectives de confort (température, humidité de l’air, vêtements, …), le confort rapporté par les utilisateurs est significativement influencé par le degré d’intervention de l’utilisateur dans son environnement.  Il a été constaté que le contrôle de l’ombrage et de l’ouverture des fenêtres, entre autres, augmente considérablement la sensation subjective de confort des utilisateurs des bâtiments. [Schweiker, 2013]

Conclusion

Bien que toutes les études et tous les modèles ne soient pas encore terminés, on peut affirmer que :

– Les indicateurs de confort classiques actuels ne garantissent pas un bon confort thermique dans les zones proches des vitrages, car le rayonnement à ondes courtes n’est pas pris en compte.

– Le rayonnement à ondes courtes peut provoquer une gêne pour le corps humain à proximité des vitrages.

– Même avec un vitrage à faible valeur g, une trop grande quantité de rayonnement à ondes courtes peut atteindre le corps, de sorte que l’inconfort peut être important.

– Un système d’ombrage est nécessaire pour contrôler au mieux ces effets d’inconfort.  La recherche recommande une transmission maximale des ondes courtes de 15% (verre + ombrage (intérieur)).

– L’utilisation de stores intérieurs réduit le rayonnement à ondes courtes, mais le rayonnement à ondes longues est causé par l’échauffement du tissu.

– Permettre à l’utilisateur de contrôler activement la quantité de rayonnement solaire contribue de manière significative à la sensation subjective de confort.

Dans les bâtiments où les utilisateurs passent des périodes courtes ou longues à proximité d’éléments de façade vitrés, l’installation de protections solaires est donc une mesure nécessaire du point de vue du confort.

Liste de référence

Arens Edward et al, Modeling the comfort effects of short-wave solar radiation indoors, Building and Environment, 2014

EQUA Simulations AB, IDA ICE 4.8 Reference Manual, 2018

Hoffmann Sabine et al., Assessing thermal comfort near glass facades with new tools, BEST 3 building enclosure science and technology conference Atlanta, 2012

Hoffmann Sabine et al., Balancing daylight, glare, and energy-efficiency goals: An evaluation of exterior coplanar shading systems using complex fenestration modelling tools, Energy and Buildings, 2015

Subramamiam S., Employing Radiance in thermal comfort simulations involving complex fenestrations, conference presentation, 2018

Schweiker et al, Explaining the individual processes leading to adaptive comfort: Exploring physiological, behavioural and psychological reactions to thermal stimuli, Journal of Building Physics, 2013

Tzempelikos A. et al., Indoor thermal environmental conditions near glazed facades with shading devices – part II: Thermal comfort simulation and impact of glazing and shading properties, Building and Environment, 2010

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