4.7.1  Bilan thermique de l’homme

La température corporelle d’une personne est d’environ 37°C. Cependant, la température moyenne de la surface de la peau est de 33°C. L’homme produit de la chaleur par « combustion » chimique (oxydation) de sa nourriture. C’est, en principe, l’énergie du soleil nécessaire pour faire pousser la nourriture sous forme de plantes qui est de nouveau libérée.

A une température de surface de peau de 33°C, la température corporelle de l’homme en Europe est supérieure à la température environnante presque toute l’année. L’homme libère donc de la chaleur en permanence selon la répartition suivante :

–   environ 35% par conduction et convection thermique

–   environ 35% par rayonnement thermique

–   environ 24% avec la vapeur d’eau (transpiration, respiration)

–   environ 6% pour réchauffer des aliments, des boissons ingérés et de l’air inspiré (Fig 4-40)

Fig. 4-40 Émission calorifique de l’homme en pourcentage

Les pourcentages donnés ci-dessus sont des moyennes. En été ou pendant une activité intense, la chaleur est plus libérée par évaporation, en hiver, plus par convection et par rayonnement. Cependant, quelle que soit la forme sous laquelle la chaleur est transférée, le corps essaie toujours de maintenir sa température normale, car c’est seulement à cette température que les fonctions vitales peuvent s’effectuer normalement. En hiver, donc, le corps réduit son émission calorifique en contractant la peau : le sang chaud ne peut plus atteindre les dernières capillaires. Par contre, en été ou dans des pièces chauffées, ces capillaires se dilatent, de sorte que plus de chaleur puisse être transférée par évaporation. Cependant, il y a des limites à cette régulation naturelle de la température. Une contraction continue des vaisseaux sanguins peut provoquer une gelure, alors qu’une dilatation continue peut entraîner une chute importante de la pression sanguine (coup de chaleur). L’homme complète ce mécanisme automatique de régulation de la température en portant des vêtements adaptés, en ayant une alimentation adéquate et en chauffant et refroidissant les pièces de séjour.

La quantité totale de chaleur émise par un corps ne dépend pas seulement de la température environnante, mais plus de son activité (fig. 4-41).

fig. 4-41 Émission de chaleur (en watts) selon l’activité d’un adulte

Ces quantités de chaleur deviennent intéressantes lors de la planification des installations de chauffage, ventilation et climatisation surtout pour les pièces qui sont fréquemment occupées par beaucoup de personnes (par ex. : grands magasins, bureaux, écoles, salles de cinéma ou restaurants).

A cause de la bonne isolation des bâtiments et de l’épaisseur des murs des bâtiments, l’accroissement de chaleur provoqué par des sources de chaleur internes, telles que des lampes, des ordinateurs, des photocopieuses, etc. est souvent si important en périodes de pointe que les bâtiments doivent être climatisés même en hiver. Cette chaleur est appelée accroissement de chaleur interne.

Cet exemple montre qu’une installation de chauffage et de ventilation confortable ne doit pas seulement être configurée selon le cas normal, mais que lors de la phase de planification, il faut aussi prendre en compte l’occupation maximale et minimale des pièces.
En hiver, l’accroissement de chaleur interne peut être récupéré comme un apport de chaleur, réduisant ainsi la consommation d’énergie. En été, par contre, le gain de chaleur doit être « expulsé », ce qui nécessite une énergie considérable. Dans une salle de cinéma de taille moyenne, 300 personnes produisent environ 30 kW ce qui, pour une séance de 3 heures, représente un rendement thermique d’environ 100kWh !

L’homme ne se rend pas compte du transfert thermique continu de son corps tant que son corps arrive à maintenir sans effort l’équilibre des températures avec son environnement. Une fois la limite dépassée, c’est-à-dire lorsque l’homme se met à frissonner ou à transpirer, bref, s’il se sent mal à l’aise, alors seulement, il s’aperçoit qu’il a « une température » et qu’à cause de celle-ci, il a un échange thermique permanent avec son environnement.

Le but de la technologie HVAC est ainsi de traiter les pièces que l’homme occupe de façon à ce que son corps puisse maintenir sans effort l’équilibre des températures avec l’environnement ambiant. Cette tâche n’est pas facile car le sentiment de confort des gens est aussi différent que leur personnalité.

4.7.2     La température ambiante confortable

D’un point de vue physique, l’homme est un corps qui a une température de surface de 33°C. S’il se trouve dans une pièce, que ce soit une salle de séjour, un bureau, une salle de loisirs ou autre, il est—avec ses 33°C de température de surface—dans un processus permanent d’échange thermique avec les murs, le plafond, le sol, les fenêtres, les radiateurs, même avec les meubles et les lampes, bref avec leur environnement (Fig 4-22). Si la température ambiante est trop basse, il dégage trop de chaleur. Il frissonne, a froid et se sent mal à l’aise (moitié gauche de la figure). Si la température ambiante est trop élevée, la chaleur corporelle ne peut pas être libérée assez vite.  Il se met à transpirer et se sent aussi mal à l’aise dans cette situation (moitié droite de la figure).

fig. 4-42 Exchange thermique entre l’homme et son environnement

Quelle est donc la température adéquate, la température ambiante vraiment confortable, une température où nous ne frissonnons ni ne transpirons ? Et quels autres critères jouent également un rôle important ?

La température ambiante confortable dépend d’abord de l’activité de l’homme car nous savons que plus l’effort corporel est grand, plus la production thermique est grande. Et le corps doit être capable de libérer cette chaleur pour qu’il se sente à l’aise. D’autres critères pour déterminer la température ambiante confortable sont :

–   le tempérament personnel de chaque individu,

–   les habitudes alimentaires

–   les habitudes vestimentaires

Dans les salles de séjour, bureaux et autres pièces de travail et de loisirs dans lesquelles on exerce une activité légère, la température confortable se situe quelque part entre 20 et 22 °C, pour autant que la pièce en question fasse partie d’une maison bien isolée. Par contre, dans une cave ayant des murs froids et humides, on se sentirait à coup sûr mal à l’aise même à 22°C. Pourquoi ? L’explication réside dans la manière dont une personne émet sa chaleur corporelle :

–   environ 35% par conduction et convection thermique

–   environ 35% par rayonnement thermique

–   environ 30% par évaporation, etc.

Une température ambiante de 22°C représente un « contrepoids » équitable pour les 35% de transfert thermique par conduction et convection, ainsi que pour les 30% de transfert thermique par évaporation. Ce n’est pas le cas pour les 35% de transfert thermique par rayonnement thermique parce qu’il est absorbé par les murs froids et humides de la cave qui ont peut-être une température d’à peine 12°C. Vu cette perte de chaleur énorme, nous n’avons pas la sensation d’une température ambiante de 22°C qui est effective, mais plutôt de 15°C seulement peut-être, d’où ce sentiment d’inconfort.

Par contre, avec une température murale de 17°C par exemple, nous ressentons une température ambiante réelle de 22°C comme étant 18-19°C environ, donc généralement confortable. Par conséquent, en raison de l’influence du rayonnement, nous devons toujours différencier la température mesurée et la température ambiante ressentie.

L’influence réciproque du rayonnement est illustrée en Fig 4-43 par des « rayons » de longueurs différentes. A gauche, la chaleur émise par l’homme n’est pas compensée parce que le mur froid émet un rayonnement thermique insuffisant. Donc, une température ambiante de 22°C est ressentie comme une température d’environ 15°C seulement. A droite, par contre, le rayonnement de l’homme et du mur sont en équilibre.

Dans toutes les maisons mal ou insuffisamment isolées nous sentons des courants d’air provenant des murs. Comme nous libérons une grande quantité de chaleur par rayonnement vers ces murs froids, nous avons constamment l’impression de sentir « un courant d’air dans le cou ».

fig. 4-43 Influence du rayonnement et confort

La seule façon d’y remédier est d’augmenter la température ambiante de sorte que la température ressentie soit d’environ 20°C même si la température effective se situe entre 22 et 23°C.

Le graphique (fig. 4-44) représente cette relation entre les températures. A gauche, nous avons la température murale et en bas la température de l’air ambiant.

fig. 4-44 Graphique pour déterminer la température murale nécessaire pour une température ambiante confortable

Si le point d’intersection des deux valeurs de température se situe dans la zone hachurée, la température ambiante est généralement qualifiée de confortable. Cela va sans dire que ce diagramme n’est valable que pour les pièces de séjour, les bureaux et les lieux de travail où le travail corporel effectué n’est pas lourd.

Les fenêtres sont aussi des surfaces froides qui nuisent au confort. Les fenêtres isolées ou à double vitrage peuvent réduire ces perturbations.

De plus, les radiateurs sont toujours installés sous des fenêtres. De cette façon, ils ne produisent pas seulement un rideau de chaleur devant les fenêtres, mais par leur rayonnement thermique, ils compensent presque entièrement la chaleur émise par le corps humain en direction des surfaces froides des fenêtres.

La fig. 4-45 illustre l’échange réciproque de rayonnement pour différentes sources de chaleur.

Un rayonnement thermique excessif en provenance de radiateurs trop chauds est aussi inconfortable parce qu’alors l’homme ne peut pas émettre librement sa propre part de rayonnement : dans ce cas il se « réchauffe » encore plus.

Le confort joue aussi un rôle dans le chauffage par le plafond et par rayonnement dans des pièces de moins de 2.50 m de haut. Ici, il ne faut pas dépasser une température au plafond de 32°C. Dans le cas d’un chauffage par le sol, la température maximale admissible au sol dans ces pièces qui sont souvent fréquentées est de 25 à 26°C.
Par contre, un plafond de refroidissement serait ressenti comme plaisant car la chaleur corporelle peut désormais rayonner. (C’est toujours bon d’avoir la tête froide et les pieds chauds !).

fig. 4-45 Exchange de rayonnement dans des installations de chauffage par radiateur, par le sol ou par le plafond

Ces températures idéales doivent être considérées comme des valeurs moyennes pour des salles de séjour, de travail et d’autres pièces où le travail physique effectué est considéré comme léger, par ex. : dans les bureaux, les salles de ventes, salles de montage d’appareils de précision, laboratoires, etc. La température dans les pièces où le travail physique effectué est intense doit être considérablement plus basse, afin que le corps humain puisse dégager de la chaleur si possible sans transpirer.

Ainsi, il n’y a pas de valeur fixe pour une température agréable car il y a une quantité d’autres facteurs et influences qui déterminent le niveau de confort :

Si l’air est trop sec, nos muqueuses sont irritées par les particules de poussière dans l’air bien plus que si l’humidité était normale. Par contre, quand l’air est trop humide, nous trouvons qu’il « fait lourd » car nous ne pouvons pas évacuer librement la part de transpiration de notre émission calorifique totale.

Un mouvement trop rapide de l’air à une température ambiante normale augmente la quantité de transfert thermique par évaporation ou convection et est ressenti par l’homme comme étant du « froid » ou « du courant d’air ».

La fumée, la poussière et l’ai vicié provoque un malaise (nausée).

Si la teneur en oxygène de l’air est trop basse, le niveau de dioxyde de carbone (CO₂) devient trop élevé. Cela peut se produire dans des pièces bondées, généralement aussi surchauffées et peut provoquer des somnolences, des nausées et des évanouissements.

La charge électrique de l’air, particulièrement avant et après des orages, des foehns (vents chauds soufflant sur les montagnes), etc. influence fortement le sentiment de bien-être et provoque nervosité, irritation, problèmes de circulation du sang, etc.