Qu'est ce que le confort thermique ?

On cite souvent une expérience de l'Université de Technologie du Massachussets. Un groupe de personnes est entré dans une pièce chauffée avec de l'air à 40° C, et des parois refroidies à 10° C. La première impression de chaleur a rapidement laissé place à un sentiment d'inconfort et de refroidissement. Les personnes sont ensuite entrées dans une pièce maintenue à 10 °C par un air froid mais avec des parois chaudes à 40° C. Les occupants ont très rapidement eu chaud. Une paroi froide absorbe la chaleur du corps (loi du rayonnement de Kirchhoff - absorption et émission de chaleur) et produit rapidement un refroidissement même avec une température de l'air élevée. Le corps est d'avantage sensible aux températures rayonnées, l'air étant mauvais conducteur de chaleur surtout lorsqu'il est sec.

Au contraire des idées reçues, l'équilibre thermique des occupants d'un local n'est pas prioritairement lié à la température de l'air mais dépend de la température opérative qui résulte des effets conjugués de la température de l'air et des parois, de l'hygrométrie et de la vitesse de l'air. Les sensations de froid ou de chaud proviennent souvent, non pas de la température de l'air, mais d'échanges excessifs par rayonnement électromagnétique entre le corps et des parois trop froides ou trop chaudes.

Quel lien entre confort thermique et consommation ?

Un chauffage de qualité a prévu une répartition harmonieuse des sources de chaleur et équilibre les échanges radiants. La chaleur est produite en continu avec un delta réduit par rapport à la consigne. La régulation de qualité assure une ambiance sans fluctuation ni dérive.

Dans ces conditions, le thermostat réglé à 19°C, les occupants éprouvent une sensation de bien être. Dans le même logement, de mauvais choix lors de l'installation des émetteurs de chaleur produiront une ambiance dégradée... A 19°c, la consommation d'énergie pour le chauffage est au mieux identique à celle du logement bien équipé, mais les occupants éprouvent une insatisfaction, une sensations de froid ou une alternance de chauds et de froids qui dégradent le confort.

La température de consigne sera alors relevée de plusieurs degrés pour effacer les phénomènes qui produisent cet inconfort.

Les échanges thermiques du corps humain

Le corps peut échanger des calories avec son environnement selon quatre modes fondamentaux de transferts de la chaleur : le rayonnement, la convection, la conduction et l'évaporation. Dans un logement, les échanges de calories s'opèrent principalement par rayonnement avec les surfaces (parois, objets, baies vitrées, radiateur, foyer de cheminée, soleil à travers une fenêtre...) et par convection avec les volumes (l'air) mais dans une moindre mesure.

1. Rayonnement : Les surfaces et objets environnants échangent de l'énergie avec le coprs humain par radiation. Les plus froids absorbent le rayonnement du corps, et les plus chauds lui fournissent de l'énergie. Dans une habitation, les échanges radiatifs représentent 60% du total des pertes et gains de chaleur du corps.
   
   
2. Conduction : Le contact direct d'une partie du corps avec une surface produit un transfert de calories. Par exemple, les pieds sur le sol.
   
   
3. Convection : Les calories sont transférées par l'intermédiaire d'un fluide (air, eau). Au contact de la peau, l'air se réchauffe et éloigne la chaleur du corps par un mouvement ascendant. Si l'air se déplace sous l'effet du vent, on parle alors de refroidissement éolien. La perte de chaleur est accentuée par la vitesse de l'air. Les vêtements protègent du refroidissement convectif.
   
   
4. Evaporation : Cette réaction de recomposition moléculaire crée un refroidissement car le passage d'une substance liquide à son état gazeux consomme des calories.

Les sources d'inconfort thermique

De nombreux facteurs sont source d'inconfort thermique : dissymétrie entre températures de surface, non homogénéité de la température de l'air, écart trop importante entre la température de l'air et la température moyenne des surfaces, fluctuation...

Dans les pièces à vivre, il est conseillé de chauffer à 19-20° Celsius (température résultante). Si la température est inférieure, le fonctionnement normal du métabolisme humain ne sera pas suffisant pour maintenir le corps à 37°. Frissons, engourdissement, fatigue, sensibilité accrue à l'humidité et maladies menacent. Une température excessive sera tout autant néfaste pour les habitants ainsi qu'un air trop sec (hygrométrie inférieure à 45%) en relation avec l'utilisation d'appareils de chauffage trop convectifs. Une protection contre le rayonnement direct du soleil doit éviter les inconforts d'éblouissement et de surchauffe.

Le respect de règles relatives à la non-uniformité des températures permet d'éviter les conditions d'inconfort thermique :

1. Ecart de température entre l'air et les surfaces : Il ne faut pas que l'écart de température entre les parois et l'air ambiant soit supérieur à 3° degrés Celsius. A partir d'une différence de 4°C, l'écart de température devient perceptible. Les surfaces froides créent alors des sensations d'inconfort.
   
   
2. Gradient vertical de température de l'air : La différence maximum de température entre la tête et les pieds ne doit pas dépasser 3 degrés.
   
   
3. Température des surfaces rayonnantes : Les zones froides dérangent d'avantage que les zones chaudes. Le froid ou la chaleur provenant d'une fenêtre, un panneau radiant trop chaud, la lumière directe du soleil sont source d'inconfort mais plus encore un mur ou un sol froid. Il est admis que, dans le plan vertical la différence de température entre plusieurs surfaces devrait rester inférieure à 5°C, et dans le plan horizontal l'écart de température ne devrait pas dépasser 10°C.
   
   
4. Température du sol : La norme pour le plancher chauffant indique une température d'au moins 19° C et inférieure à 29° C.
   
   
5. Déplacement d'air : Le refroidissement de l'organisme causé par les mouvements de l'air dans la région des jambes et de la tête surtout lorsque la peau n'est pas couverte par des vêtements doit être évité. Un déplacement de l'air à une vitesse de 1 kilomètre par heure (0,27 m/s) provoque une sensation de froid d'environ 3°C sur la température interne de confort.
   
   
6. Taux d'humidité dans l'air : Il doit être uniforme car la conduction de la chaleur dépend en partie de l'hygrométrie. Si des appareils de chauffage modifient la qualité de l'air, il se forme des masses d'air avec différents taux d'humidité ce qui provoque de l'inconfort thermique.

Une mauvaise isolation et un système de chauffage trop chaud, trop localisé et pauvre en rayonnement ou positionné aux mauvais endroits sont les principales causes de la non-homogénéité des températures à l'intérieur d'une maison.

Pour résumer

Les conditions nécessaires au confort thermique sont connues et définies par différentes normes mais elles sont relativement ignorées du grand public et de certains professionnels. Elles mettent en évidence la nécessité de choisir les émetteurs de chaleur adaptés à chaque situation et de les placer à des emplacements appropriés.

Il faut privilégier le chauffage basse température et les appareils radiants et éviter ceux qui réchauffent directement l'air. Préférer la position en équilibrage et éviter la concentration. Cela est d'autant plus vrai que le logement est mal isolé, et montre des parois froides. Il faut compter sur environ 30% d'émission de chaleur par radiation pour équilibrer des murs et des vitrages froids. Les meilleurs résultats sont obtenus avec les panneau radiants de grande surface dont la température de surface présente un faible delta avec la température de consigne et se maintient en continu. Ces caractéristiques sont favorables au confort thermique et riment avec consommation maîtrisée.

Les recommandations de base sont d'isoler les surfaces les plus froides (sol, vitrages), installer des émetteurs de chaleur douce, et équilibrer les échanges radiants en plaçant par exemple les radiateurs en allège des fenêtres et/ou des parois les plus froides...

Références :

Le "standard 55" de l'ASHRAE (Société américaine des ingénieurs de chauffage, de réfrigération et de climatisation) est une norme ANSI qui définit les conditions miniamles pour garantir le confort thermique acceptable des environnements intérieurs. Les exigences minimales concernent les mouvements d'air, les écarts de température de l'air sur l'axe vertical, l'asymétrie du rayonnement, les températures en surface du plancher et la variation de la température de l'air dans le temps.

• Le confort est obtenu par la température et le taux d'humidité. L'inconfort local est provoqué par les courants d'air de vitesse supérieure ou égale à 0,15 m/s, la stratification verticale de température à partir de 3°C, une température du plancher en dehors de la plage 19°C-29°C et une variation de température dans le temps. La norme ASHRAE 55 précise que le confort thermique est "une condition de l'esprit qui exprime une satisfaction face à l'environnement thermique et dont l'évaluation est subjective".

La norme internationale ISO 7730:2005(fr) traite de l'ergonomie des ambiances thermiques modérées et propose des outils pour déterminer et interpréter le confort thermique par le calcul des indices PMV et PPD. Elle a été développée en parallèle avec la norme américiane "standard 55" de l'ASHRAE.


Les indices de confort thermique PMV et PPD : Consulter le document.

Etudes sur la sensation de confort thermique par l'Université de Médecine de Jussieu : Consulter le document.