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29 septembre 2017

Les six composantes du confort thermique

Certains sujets semblent avoir le pouvoir particulier de générer des conversations quasi déterministes. J’entends par là, la chose suivante : Lancez un tel sujet et vous pouvez vous attendre à voir émerger toujours les mêmes questions, presque toujours dans le même ordre. D’une manière générale, je trouve que cela pose fortement la question de notre liberté de pensée sur de tels sujets. Témoignons-nous alors de notre pensée propre, ou de choses que nous avons progressivement intégrées et qui se retrouvent profondément ancrées dans notre culture et nos modes de pensée ?

Parmi ces sujets, je range celui de la « température de confort ». Faites l’expérience suivante : lors d’une conversation amicale ou familiale voire professionnelle, lancez la phrase suivante : « moi, franchement, 19°C, je trouve que c’est un peu froid. La bonne température pour mon confort, c’est 21°C. » Vous n’avez plus qu’a laisser dérouler. Je suis prêt à parier qu’a un moment émergera la phrase suivante : « De toute façon, le confort, c’est vraiment une notion subjective. » Une manière de dire que comme pour le beau ou le juste, nous sommes dans un domaine où l’objectivité s’avère difficile, voire impossible. Nous voilà bien avancés, surtout si nous travaillons dans un domaine où l’on recherche l’objectivité. Et pourtant, grâce à Povl Ole Fanger, notre situation n’est pas désespérée, loin de là. Cette approche de la thermique humaine me semble tellement fondamentale que j’ai eu envie de la partager avec vous.

confort - fanger

P.O. Fanger, figure quasi-légendaire de la thermique humaine (et de la coiffure)

Fanger, dès les années 70, s’est intéressé à la prévision du confort dans des locaux. Les outils les plus célèbres issus de son travail ont pour nom PMV (Predicted Mean Vote) et PPD (Percentage Persons Disatisfied). Ces deux notions statistiques permettent d’estimer le degré de satisfaction des personnes qui se trouveront dans un tel local. Je pense que nous aurons très prochainement l’occasion d’en reparler en détail. Il y a un corollaire très important à cette approche statistique, que l’on peut énoncer en deux points :

  • la satisfaction d’une population de personnes placées dans une ambiance est d’un point de vue statistique, quasiment déterministe et peut être prédite par le calcul.
  • ce n’est en revanche pas le cas pour chaque individu. En ce sens, on peut dire que le confort individuel est subjectif.

Il était une fois la vie…

Pourtant, une réflexion thermique à l’échelle de la personne nous dit la chose suivante : le confort thermique humain dépend de 6 paramètres. Voyons cela. Quand on parle du confort thermique humain, ou quand on dit « j’ai chaud » ou « j’ai froid », de quoi parle t-on exactement ? Ou se trouve le « je » qui a chaud ou qui a froid ? Si l’on effectue un zoom sur notre mécanique thermique, le « je » se localise dans l’hypothalamus, l’organe régulateur de l’équilibre thermique humain. L’hypothalamus s’est assigné la mission suivante : conserver les organes vitaux du corps à une température constante. Cette zone profonde du corps, comprenant le cerveau, le coeur et les organes principaux constitue une zone thermique que l’on appelle le noyau (core, en anglais). C’est lui, le « je » qui veut maintenir sa température plus ou moins constante.

Néanmoins, de par son activité (penser, digérer, bouger, bref… vivre), il produit constamment de la chaleur. On comprend bien que s’il produit de la chaleur ET doit rester à température constante, il va bien falloir qu’il évacue cette énergie et la « décharger » vers l’extérieur. Pour cela, la chaleur va devoir être échangée à travers différentes couches, la première étant l’enveloppe du corps (shell, en anglais). Elle est constituée de notre graisse, nos muscles, notre peau, nos poils, etc.

Puis la chaleur va continuer sa route, à travers ce qui se trouve à l’extérieur de notre corps : la couche d’air située entre notre peau et nos vêtements, nos vêtements, l’ambiance de la pièce dans laquelle nous nous trouvons, les parois du bâtiment, l’atmosphère extérieure, le ciel, etc…On comprend donc que le degré de satisfaction de Monsieur hypothalamus dépend de l’ensemble des paramètres qui vont modifier ces échanges énergétiques entre le noyau du corps humain et l’ambiance extérieure.

Ainsi, ces fameux « 6 paramètres du confort thermique » permettent d’évaluer la facilité du travail, et donc la satisfaction de Monsieur Hypothalamus.

Je vous propose donc, dans la suite de cet article, de lister ces 6 paramètres. Cela nous permettra d’évoquer rapidement de quelle manière ces 6 paramètres ouvrent les portes de toute création en Design Énergétique.

On peut néanmoins poser, dès maintenant, une conclusion préliminaire. Comme je l’explique également dans cet article, puisqu’il existe 6 paramètres au confort thermique humain, la température ambiante ne saurait être en aucun cas, un indicateur du confort. Il est donc absurde, inutile et contre-productif de tenter de mesurer, de prédire, voire de réglementer le confort en fonction de cet unique paramètre.

Confort thermique : les 6 paramètres

Paramètre 1 : La température de l’air

 

confort - consigneCommençons par le plus simple et celui dont on parle toujours : la température de l’air qui nous environne. Attention, nous parlons ici du corps habillé (nous verrons un peu plus loin pourquoi c’est important). Nous échangeons de la chaleur par conduction et par convection avec l’atmosphère qui nous entoure. Notons que pour les cas aquatiques (plongée sous-marine, survie d’un pilote tombé dans une mer froide, etc.) c’est bien évidemment la température de l’eau qui va nous intéresser. Dans la conception de bâtiments, la température de l’air nous renvoie directement aux questions de chauffage et de climatisation, de maintien d’une température ambiante. J’ai dit que la température ambiante n’était pas suffisante pour prédire le confort, on comprend néanmoins bien, de manière intuitive, qu’elle influe largement dessus.

Paramètre 2 : La température radiative moyenne

confort - palaisNous échangeons également de la chaleur par rayonnement avec les parois qui nous entourent. Ainsi, si nous sommes mis en face d’une paroi froide (par exemple la baie vitrée que j’avais dans le dos lorsque je mangeais chez ma grand-mère en hiver il y a trente ans), mon corps va échanger une quantité de chaleur plus importante avec cette paroi et je vais me refroidir.

Ces échanges sont proportionnels à la puissance 4ème de la température. Il peuvent donc s’avérer majeurs dès que les écarts de température sont importants. Pour le concepteur de locaux, c’est un paramètre essentiel. Paradoxalement, on pourrait croire que nos anciens maitrisaient mieux ce paramètre que nos concepteurs actuels. Ainsi, les saunas sont tapissés de bois, un matériaux qui « rayonne chaud ». A l’inverse, les magnifiques palais romains ou florentins tapissés de marbre (un matériaux qui « rayonne froid ») provoquent un effet de climatisation « naturelle ».

Cet effet peut, sous certaines conditions, être utilisé dans des vêtements, en utilisant des matériaux réflecteurs, proches du corps. On utilise aussi de tels « protections radiative » pour protéger les satellites, objets thermiques évoluant dans un milieu sans air.

De nombreux systèmes de chauffage ou de rafraîchissement actifs utilisent pour partie la convection (en agissant sur la température de l’air) et pour partie le rayonnement (en émettant un rayonnement chaud ou froid). C’est le cas des panneaux rayonnants chauffants / refroidissants que l’on utilise aujourd’hui couramment dans les bâtiments de grande hauteur, comme les gymnases ou les halls d’aéroport.

Enfin, on peut aussi noter que le rayonnement permet de diriger et de chauffer de manière beaucoup plus locale que le chauffage par l’air. On peut ainsi se concentrer sur « chauffer la personne » ou l’objet plutôt que « chauffer l’ambiance » (cas des chauffages au poste de travail). Cela ne concerne ailleurs pas que les êtres humains, puisque ces phénomènes sont largement utilisés en cuisine (pensez aux lampes au dessus du plan de haricots verts à la cafétéria.)

Paramètre 3 : L’humidité ambiante

confort - jungleNous évaporons continuellement une quantité plus ou moins importante d’eau. C’est un mode majeur de rafraîchissement du corps. Mais, de même que la conduction de chaleur est proportionnelle à l’écart de température, l’eau s’évapore d’autant plus facilement que l’ambiance est sèche. Ainsi, une humidité ambiante élevée, diminuera l’évaporation sur le corps, et provoquera une sensation de chaleur. Pensez-y la prochaine fois qu’un orage ou qu’une pluie arrive : il est probable que vous ayez l’impression, quelques minutes avant la première goutte de pluie, que la température vient d’augmenter. Soudainement, on « étouffe ». L’humidité peut bien entendu être également régulée et maitrisée pour les concepteurs de vêtement, on trouve ici le thème très largement débattu de la « respirabilité ». Dans les bâtiments courants, la gestion de l’humidité ouvre à la fois les questions de « perméabilité des parois » et les régulations d’humidité. Ces questions sont tout particulièrement importantes en climat tropical. Une humidité excessive peut rendre l’ambiance carrément invivable, le corps n’ayant plus de moyen de refroidissement…

Paramètre 4 : La vitesse de l’air

Ah ce petit vent frais qui nous rafraichit en fin d’après midi juste à l’heure de l’apéro !

Comme nous échangeons de la chaleur par convection, il est logique qu’une augmentation de cette convection, du déplacement d’air autour de nous, augmente ces déperditions. A l’inverse, si nous voulons rester chaud, il est important de limiter les courants d’air. Dans le domaine du bâtiment on trouve ici tous les sujets de l’ordre de la diffusion d’air, du balayage pour les ventilations, de l’étanchéité à l’air, etc. Dans le domaine du vêtement, on trouve également les questions de perméabilité à l’air ou de « windproofness » mais également, et c’est moins connu, toutes les questions de « fit ». Pensez à ce réflexe instinctif que nous avons de serrer le col de notre pull dans les ambiances froides. Une grande partie de la convection dans nos vêtements, passe par la cheminée du cou.

Je voudrais faire une petite pause avant d’aborder les deux derniers paramètres. Les 4 paramètres que je viens de citer peuvent être classés dans la catégorie « paramètres environnementaux ». En effet, ils caractérisent l’ambiance dans laquelle nous plongeons le corps humain. Ils vont donc déterminer à quel point l’ambiance aspire l’énergie du corps de manière plus ou moins intense. Il est donc normal que la majorité des concepteurs s’intéressent à ces paramètres puisque c’est là que se trouvent les clefs pour concevoir le vêtement, le bâtiment, l’ambiance ou le dispositif actif qui va modifier l’environnement. Et justement, modifier l’environnement, c’est ce à quoi sert l’énergie.

Les deux derniers paramètres sont d’un autre ordre. Ils sont d’ordre comportemental. Même si nous n’avons aucun contrôle sur les 4 premiers paramètres, nous pouvons toujours ajuster ces deux derniers. C’est notre part de liberté, notre pouvoir d’action sur notre confort, l’endroit où nous pouvons toujours prendre soin de nous… sous réserve d’avoir compris « comment ça marche » !

Paramètre 5 : Le niveau d’activité

confort - siesteNous l’avons vu, le problème que doit constamment résoudre l’hypothalamus consiste à évacuer la chaleur produite par notre activité afin que la température du noyau reste constante. Le problème est d’autant plus difficile à résoudre que cette quantité d’énergie est importante. Or, cette quantité d’énergie est directement proportionnelle à notre niveau d’activité, et peut varier d’un facteur 10 entre notre métabolisme de base (lorsque nous dormons, par exemple) et nos plus intenses activités (le Col du Tourmalet à vélo, par exemple).

En cas de surchauffe, donc, il est sage et efficace de réduire notre activité. Ce n’est pas un hasard si la sieste aux heures chaudes est profondément installée dans la culture de pays plus chauds, et moins pratiquée dans les pays plus froids. De même, le décalage des horaires de travail aux heures plus fraîches est désormais pratique courante en période de canicule.

A l’inverse, l’augmentation d’activité physique est un bon moyen de se réchauffer. Le corps l’utilise d’ailleurs naturellement : le frisson est une contraction musculaire uniquement destinée à produire de la chaleur. Rien n’interdit d’augmenter l’activité physique consciemment. À quand les génératrices à pédale, similaires à celles des gares dans les bureaux ?

Paramètre 6 : l’habillement

Pour le designer énergétique, au delà de l’aspect « mode », le vêtement est avant tout la « barrière thermique » qui sépare le corps de l’environnement. Et clairement, le fait que nous ayons glissé au cours des âges vers une culture du vêtement plutôt « mode » que « régulation » n’est pas pour rien dans nos rapports à l’énergie. D’une manière générale, on s’habille plutôt mal.

Je cite souvent cette expérience qui m’a chamboulé. Il y a 15 ans, alors jeune designer énergétique dans un grand groupe d’article de sports, nous mettions des gens en chambre froide à -20°C (avec leur consentement). Leur consigne était « habillez-vous avec vos habits de grand froid ». Nous leur demandions leur ressenti, et mesurions en même temps leur éventuel refroidissement.

Je n’y croyais pas : plus les cobayes portaient des tenues coûteuses, plus ils avaient froid. Mais au moins ils l’admettaient. Nous avons dû en sortir certains avant la fin de l’expérience.

Les causes sont multiples, entre le défaut d’isolation sur les jambes (très courant) et notre faible perception des phénomènes thermiques (cela demande un entraînement).

confort - de fumes

Je ne parle pas ici de l’injonction courante, caricaturale et souvent inefficace du genre « pour ne plus avoir froid, ajoutez un pull ». C’est aussi réaliste et constructif qu’une discussion de comptoir. Ce dont nous parlons ici est d’une relation plus informée, plus consciente au rôle de vêtement, aux immenses possibilités de combinaison. Hormis pour rire un bon coup, on peut se demander pour quelle raison nos anciens utilisaient des bonnets de nuit, des plaids, des jupons et autres bandes molletières. Je garde pour ma part un souvenir ému de cette infirmière faisant l’accueil du Don du Sang. Elle portait fièrement un jupon en laine polaire fait maison, dont elle faisait activement la promotion auprès de ses collègues. Lorsqu’avec des collègues, nous avons un jour inventé l’i-Froc, il y avait beaucoup de sérieux derrière la blague !

Vous l’avez compris, je n’ai pas fini de vous parler de l’habillement…

Conclusion

Parmi mes livres cultes, je compte Architecture et Volupté Thermique, de Lisa Heshong. Le célèbre et regretté Jean-Pierre Oliva en a rédigé le premier commentaire sur Amazon, en disant : « Ce « petit » livre écrit en 79 aux Etats Unis et paru en France en 81 devrait être mis d’urgence au programme de tous les cursus d’études des architectes et ingénieurs thermiciens. Cela aiderait les premiers à sortir de leur monoculture visuelle, de leur fascination du concept, et les seconds à relativiser leurs calculs pour découvrir enfin qu’il n’y a pas que le U dans la vie ».

Car la volupté (terme peu utilisé en science énergétique), c’est pourtant ce dont il s’agit. Il ne s’agit pas de confort, il s’agit de réellement jouir des ambiances, de re-contacter la sensualité thermique qui fonde nos relations à l’énergie. Se focaliser sur le « trop chaud » ou le « trop froid », c’est considérer le problème par le petit bout de la lorgnette. Et pour permettre la volupté, ma foi, je ne vois pas d’autres moyens pour le designer énergétique que de comprendre comment elle fonctionne. Et quelle chance !! Là où nous pouvions croire que la température seule pouvait jouer, nous voici avec 6 paramètres !! Pas 2, pas 4, messieurs-dames, mais 6 !! Chacun ouvrant des centaines de possibilités créatives. N’est-ce pas réjouissant ?

pascal

Pascal est designer énergétique depuis plus de 15 ans, avec des expériences variées dans les domaines du bâtiment, des vêtements et équipements. Il est également musicien et écrivain, et habite en Savoie (France).

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