Chapitre 15 : Climatisation Efficace et Alternative : Climatisation Solaire, Géothermie, Refroidissement Évaporatif

La climatisation efficace et alternative est devenue un enjeu majeur de la conception bioclimatique, particulièrement face aux épisodes de chaleur de plus en plus fréquents et intenses. Si la climatisation traditionnelle apporte un confort indéniable, elle est aussi très énergivore et utilise des fluides frigorigènes ayant un impact environnemental non négligeable. Il est donc crucial d’explorer des solutions de climatisation alternatives, plus durables et moins consommatrices d’énergie, et d’optimiser l’usage de la climatisation lorsque celle-ci reste nécessaire.

Enjeux de la climatisation :

La climatisation, bien que répondant à un besoin de confort thermique, pose des problèmes importants en termes de consommation énergétique et d’impact environnemental :

• Consommation énergétique élevée : La climatisation est l’un des postes de consommation énergétique les plus importants dans les bâtiments, surtout en période estivale. Elle représente une part significative de la facture d’électricité et contribue fortement aux pics de demande électrique en été, pouvant saturer les réseaux. La production de cette électricité, souvent issue de sources fossiles, génère des émissions importantes de gaz à effet de serre (GES) et contribue au changement climatique.

  
  • Impact sur le réseau électrique : La demande de climatisation en période de forte chaleur peut mettre à rude épreuve les réseaux électriques, entraînant des risques de délestage (coupures de courant) et nécessitant des investissements importants dans les infrastructures de production et de distribution d’électricité.
  • Coût financier pour les utilisateurs : La consommation de climatisation se traduit par des factures d’électricité élevées pour les particuliers et les entreprises, pesant sur leur budget et leur compétitivité.

• Impact environnemental des fluides frigorigènes : Les systèmes de climatisation traditionnels utilisent des fluides frigorigènes pour assurer le transfert de chaleur. Ces fluides, souvent des hydrofluorocarbures (HFC), ont un fort pouvoir de réchauffement global (PRG), parfois des milliers de fois supérieur à celui du CO2. Les fuites de fluides frigorigènes, même minimes, contribuent significativement à l’effet de serre et au changement climatique. De plus, certains anciens fluides frigorigènes (CFC, HCFC) sont responsables de la destruction de la couche d’ozone.

  
  • Réglementations de plus en plus strictes : Face à ces enjeux environnementaux, les réglementations internationales (Protocole de Kyoto, Amendement de Kigali) et européennes (Règlement F-Gaz) sont de plus en plus strictes concernant l’utilisation et la manipulation des fluides frigorigènes. L’objectif est de réduire progressivement leur utilisation et de les remplacer par des alternatives à faible PRG ou naturelles.
  • Alternatives aux HFC : Des alternatives aux HFC existent et sont en développement, notamment les hydrocarbures (HC – propane, isobutane), le CO2 (R744), l’ammoniac (NH3 – R717), et les hydrofluorooléfines (HFO) à faible PRG. Le choix de fluides frigorigènes à faible impact environnemental est un critère essentiel pour une climatisation durable.

En résumé, la climatisation traditionnelle présente un double défi : une consommation énergétique élevée, source d’émissions de GES, et l’utilisation de fluides frigorigènes à fort impact environnemental. Il est donc impératif de développer et de privilégier des solutions de climatisation alternatives et performantes, et d’optimiser l’usage de la climatisation lorsque celle-ci reste nécessaire.

Solutions de climatisation alternatives et performantes :

Plusieurs solutions de climatisation alternatives et respectueuses de l’environnement existent et gagnent en popularité :

• Climatisation solaire (thermique et photovoltaïque) : et La climatisation solaire utilise l’énergie solaire pour alimenter un système de refroidissement. Elle peut être thermique ou photovoltaïque.

  

  • Climatisation solaire thermique :

    • Principe : Utilise des capteurs solaires thermiques (plans, tubulaires sous vide) pour produire de la chaleur à partir du rayonnement solaire. Cette chaleur est ensuite utilisée pour alimenter un groupe frigorifique solaire (à absorption, à adsorption ou à cycle de Rankine organique) qui produit du froid. Le froid produit peut être utilisé pour climatiser l’air ou refroidir de l’eau pour un plancher rafraîchissant ou des ventilo-convecteurs.
    • Avantages : Utilisation d’une énergie renouvelable et gratuite : Le soleil. Réduction de la consommation d’électricité pour la climatisation : Principalement utilisée pour alimenter les auxiliaires (pompes, ventilateurs, régulation). Solution particulièrement adaptée aux régions ensoleillées : Corrélation entre l’ensoleillement et les besoins de climatisation. Autonomie énergétique potentielle : Possibilité de stockage de chaleur ou de froid pour pallier les variations d’ensoleillement. Faible impact environnemental (pas de fluides frigorigènes à fort PRG pour certains systèmes). Eligible aux aides financières.
    • Inconvénients : Coût d’investissement élevé : Capteurs solaires thermiques, groupe frigorifique solaire, installation complexe. Rendement variable : Dépend de l’ensoleillement et de la performance du système. Encombrement : Nécessite une surface importante pour les capteurs solaires. Maintenance : Entretien régulier des capteurs et du groupe frigorifique. Technologie moins mature et moins répandue que la climatisation traditionnelle : Moins de références et de retours d’expérience.
    • Utilisations : Climatisation de bâtiments résidentiels, tertiaires, industriels, agricoles, dans les régions ensoleillées. Particulièrement adaptée aux bâtiments ayant des besoins de climatisation importants et une grande surface de toiture disponible pour les capteurs solaires.

  • Climatisation solaire photovoltaïque :

    • Principe : Utilise des panneaux solaires photovoltaïques (PV) pour produire de l’électricité à partir du rayonnement solaire. L’électricité produite est ensuite utilisée pour alimenter une climatisation électrique classique (pompe à chaleur air/air ou groupe frigorifique électrique). L’électricité solaire peut être consommée directement (autoconsommation) ou stockée dans des batteries pour une utilisation différée.
    • Avantages : Utilisation d’une énergie renouvelable et gratuite : Le soleil. Réduction de la consommation d’électricité du réseau : Autoconsommation de l’électricité solaire. Simplicité relative : Combine des technologies solaires PV matures et des systèmes de climatisation électrique classiques. Flexibilité : L’électricité solaire peut être utilisée pour d’autres usages que la climatisation. Possibilité de stockage de l’électricité solaire : Batteries. Eligible aux aides financières.
    • Inconvénients : Moins efficace énergétiquement que la climatisation solaire thermique : Double conversion (solaire -> électricité -> froid) avec des pertes à chaque étape. Dépendance à la performance des panneaux solaires et du système de climatisation électrique. Coût d’investissement : Panneaux solaires PV, système de climatisation électrique, batteries (si stockage). Impact environnemental indirect lié à la fabrication des panneaux solaires et des batteries. Efficacité variable selon l’ensoleillement et la température extérieure.
    • Utilisations : Climatisation de bâtiments résidentiels, tertiaires, petits commerces, dans les régions ensoleillées. Adaptée aux bâtiments ayant déjà des panneaux solaires PV ou souhaitant en installer.

• Climatisation géothermique (Rafraîchissement géothermique) : et Utilise la fraîcheur du sol (géothermie superficielle) ou des nappes phréatiques (aquathermie) pour rafraîchir le bâtiment. Peut être passif ou actif.

  

  • Rafraîchissement géothermique passif (Free-cooling géothermique) :

    • Principe : Fait circuler de l’eau froide puisée dans le sol (puits canadien hydraulique ou sondes géothermiques) directement dans un plancher rafraîchissant ou des ventilo-convecteurs, sans utiliser de groupe frigorifique. Le sol frais absorbe la chaleur du bâtiment et le rafraîchit naturellement.
    • Avantages : Très faible consommation d’énergie : Principalement les pompes de circulation. Utilisation d’une énergie renouvelable et gratuite : Géothermie. Confort thermique doux et homogène : Rafraîchissement par rayonnement. Faible bruit : Système silencieux. Longévité : Installation durable. Adapté aux climats tempérés à chauds. Eligible aux aides financières.
    • Inconvénients : Efficacité limitée : Rafraîchissement moins puissant que la climatisation active, adapté aux bâtiments bien isolés et aux besoins modérés de rafraîchissement. Dépend de la température du sol : Efficacité variable selon la profondeur des capteurs et les caractéristiques du sol. Coût d’investissement : Captage géothermique (puits canadien hydraulique ou sondes géothermiques), installation du plancher rafraîchissant ou des ventilo-convecteurs. Nécessite une étude de sol préalable. Surface de terrain importante requise pour le puits canadien hydraulique.
    • Utilisations : Rafraîchissement de maisons individuelles, bâtiments basse consommation, bureaux, écoles, dans les climats tempérés à chauds. Construction neuve et rénovation. Idéal en complément de stratégies bioclimatiques passives (protection solaire, ventilation naturelle, inertie thermique).

  • Rafraîchissement géothermique actif (Pompe à chaleur géothermique réversible) :

    • Principe : Utilise une pompe à chaleur géothermique réversible, qui peut fonctionner en mode chauffage en hiver et en mode rafraîchissement en été. En mode rafraîchissement, la PAC inverse son cycle thermodynamique et extrait la chaleur du bâtiment pour la rejeter dans le sol, tout en produisant du froid qui est diffusé dans le bâtiment.
    • Avantages : Chauffage et rafraîchissement avec un seul système : Polyvalence. Performances élevées en chauffage et en rafraîchissement : COP et EER (coefficient d’efficacité frigorifique) élevés. Utilisation d’une énergie renouvelable : Géothermie. Confort thermique toute l’année. Eligible aux aides financières.
    • Inconvénients : Coût d’investissement élevé : Pompe à chaleur géothermique réversible, captage géothermique. Installation complexe : Nécessite une expertise spécifique. Nécessite une étude de sol préalable. Surface de terrain importante requise pour les capteurs horizontaux. Impact environnemental indirect lié à la consommation d’électricité de la PAC (mais limité par le rendement élevé).
    • Utilisations : Chauffage et rafraîchissement de maisons individuelles, bâtiments collectifs, tertiaires, dans tous les climats, mais particulièrement adaptés aux climats froids et tempérés. Construction neuve et rénovation lourde.

• Refroidissement évaporatif (Rafraîchissement adiabatique) : et Le refroidissement évaporatif utilise l’évaporation de l’eau pour rafraîchir l’air. C’est un processus naturel et économe en énergie, particulièrement efficace dans les climats chauds et secs.

  

  • Refroidissement évaporatif direct :

    • Principe : L’air extérieur chaud et sec est aspiré et traverse un média humide (panneaux alvéolaires humidifiés par de l’eau). L’eau s’évapore au contact de l’air sec, ce qui absorbe de la chaleur et rafraîchit l’air. L’air refroidi et humidifié est ensuite insufflé dans le bâtiment.
    • Avantages : Très faible consommation d’énergie : Principalement les ventilateurs et la pompe à eau. Utilisation d’une ressource naturelle et renouvelable : L’eau. Rafraîchissement efficace dans les climats chauds et secs : Plus l’air est chaud et sec, plus le refroidissement évaporatif est performant. Amélioration de la qualité de l’air intérieur : Filtration et humidification de l’air. Coût d’investissement modéré.
    • Inconvénients : Efficacité limitée dans les climats chauds et humides : Moins performant lorsque l’air est déjà humide, car l’évaporation de l’eau est réduite. Augmentation de l’humidité relative de l’air intérieur : Peut être inconfortable dans les climats déjà humides. Nécessite une alimentation en eau et un système d’évacuation de l’eau : Consommation d’eau à optimiser. Maintenance : Nettoyage et entretien du média humide pour éviter le développement de bactéries et de légionelles.
    • Utilisations : Rafraîchissement de bâtiments industriels, agricoles, commerciaux, entrepôts, locaux techniques, dans les climats chauds et secs. Peut être utilisé pour le rafraîchissement localisé ou pour la ventilation et le rafraîchissement de grands volumes. Adapté aux applications où l’humidité relative n’est pas un critère prioritaire, ou en combinaison avec des systèmes de déshumidification dans les climats humides.

  • Refroidissement évaporatif indirect :

    • Principe : L’air extérieur chaud et sec est utilisé pour refroidir indirectement un second flux d’air qui sera insufflé dans le bâtiment. L’évaporation de l’eau se produit dans un échangeur de chaleur, sans contact direct entre l’eau et l’air insufflé dans le bâtiment. Cela permet de rafraîchir l’air sans augmenter son humidité relative.
    • Avantages : Rafraîchissement sans humidifier l’air intérieur : Adapté aux climats chauds et humides ou aux applications sensibles à l’humidité. Conserve les avantages du refroidissement évaporatif direct : Faible consommation d’énergie, utilisation d’une ressource naturelle. Amélioration du confort dans les climats humides par rapport au refroidissement évaporatif direct.
    • Inconvénients : Moins efficace que le refroidissement évaporatif direct : L’échange de chaleur indirect réduit le potentiel de refroidissement. Coût d’investissement plus élevé : Nécessite un échangeur de chaleur spécifique. Plus complexe à mettre en œuvre que le refroidissement évaporatif direct. Efficacité toujours limitée dans les climats très humides.
    • Utilisations : Rafraîchissement de bâtiments tertiaires, commerciaux, résidentiels, dans les climats chauds et humides ou tempérés chauds. Adapté aux applications où le contrôle de l’humidité relative est important.

Optimisation des systèmes de climatisation :

Que l’on opte pour une climatisation alternative ou que l’on conserve un système de climatisation traditionnel, il est crucial d’optimiser son usage pour limiter la consommation énergétique et l’impact environnemental :

• Maintenance régulière : Entretien annuel du système de climatisation par un professionnel qualifié : Nettoyage des filtres, contrôle des performances, vérification de l’étanchéité du circuit frigorifique, contrôle de la pression des fluides, nettoyage des échangeurs, etc. Permet de maintenir le rendement du système, de prévenir les pannes, de prolonger la durée de vie des équipements, de garantir une bonne qualité de l’air intérieur, et de limiter les fuites de fluides frigorigènes. Respect des obligations réglementaires en matière d’entretien des systèmes de climatisation.
• Réglages et optimisation : Régler la température de consigne de manière raisonnable : Éviter de régler le thermostat trop bas, chaque degré gagné représente une économie d’énergie significative (environ 7% d’économies par degré). Régler la température à 25-26°C en été est souvent suffisant pour assurer un confort thermique acceptable. Utiliser un thermostat programmable ou connecté : Permettre d’adapter la température aux rythmes d’occupation et de réduire la température pendant les périodes d’absence ou la nuit. Optimiser la ventilation : Assurer une bonne ventilation du local climatisé pour améliorer le confort et limiter la condensation. Vérifier l’étanchéité du bâtiment : Limiter les entrées d’air chaud et les déperditions de fraîcheur.
• Limitation de l’usage : Limiter l’utilisation de la climatisation aux périodes de forte chaleur et aux pièces réellement occupées. Privilégier les stratégies bioclimatiques passives en priorité : Protection solaire, ventilation naturelle, inertie thermique, végétation. Utiliser la climatisation comme un complément lorsque les solutions passives ne suffisent pas. Sensibiliser les occupants aux bonnes pratiques d’utilisation de la climatisation : Fermer les fenêtres et les portes lorsque la climatisation est en marche, ne pas sur-climatiser, entretenir le système. Choisir des équipements de climatisation performants et labellisés (classe énergétique A+++, label Eurovent Certita Certification).
• Zones de confort ciblées (Climatisation de zone) : Climatiser uniquement les zones réellement occupées et nécessitant un rafraîchissement : Bureaux individuels, salles de réunion, zones de travail spécifiques. Éviter de climatiser les circulations, les locaux techniques ou les espaces peu utilisés. Utiliser des systèmes de climatisation de zone : Systèmes de climatisation multi-splits, systèmes à débit de réfrigérant variable (DRV), permettant de réguler la température pièce par pièce et d’adapter la climatisation aux besoins réels de chaque zone. Optimisation des économies d’énergie et amélioration du confort personnalisé.

En conclusion, la climatisation efficace et alternative est une nécessité pour concilier confort thermique et respect de l’environnement. Privilégier les solutions alternatives comme la climatisation solaire, la géothermie et le refroidissement évaporatif, et optimiser l’usage de la climatisation traditionnelle par une maintenance régulière, des réglages adaptés, une limitation de l’usage et un ciblage des zones de confort, sont des étapes essentielles pour construire des bâtiments durables et responsables face aux défis climatiques. Une approche intégrée, combinant stratégies passives et solutions de climatisation actives optimisées, est la voie à privilégier pour un confort d’été durable et économe en énergie.