Le « Free cooling »

A Genève, le nombre de journées très chaudes (+30°C) sur l’année est assez faible. De plus, bien souvent les nuits sont fraîches. Cette situation climatique est favorable à la mise en place d’un free cooling, afin de réduire le nombre d’heures de fonctionnement de la climatisation.

Présentation de la technologie

Le « free cooling » consiste à refroidir un bâtiment par ventilation en utilisant l'énergie gratuite de l'air extérieur lorsque celui-ci présente une température inférieure à la température intérieure.

Le principe du free cooling diurne consiste à valoriser au maximum l'air frais extérieur disponible, lorsque le bâtiment est en demande de froid, avant d'utiliser la climatisation.
Le principe du free cooling nocturne est d’évacuer la chaleur emmagasinée la journée dans la masse du bâtiment (murs, plancher, ...) durant la nuit au moyen d'une ventilation intensive. Cela permet de diminuer la demande de froid pendant la journée.

L’efficacité de refroidissement du free cooling repose sur la différence de température entre l’air intérieur et l’air extérieur. Plus la différence est grande, meilleure est le pouvoir de refroidissement. Toutefois l’écart doit au minimum être de l’ordre de 4°C à 6°C, ce qui montre les limites du free cooling en été.

Le free cooling peut être mis en œuvre de deux manières différentes comportant chacune des avantages et des inconvénients.

Free cooling naturel
Free cooling mécanisé

Free cooling naturel

Dans les bâtiments existants trois types de ventilation naturelle peuvent être mis en œuvre. Les solutions proposées peuvent parfois être réalisées manuellement, sans régulation mécanique automatique, toutefois l’implication sérieuse des occupants est nécessaire.

Free cooling naturel individualisé

Les fenêtres de chaque bureau sont munies de deux grilles, une en bas et une en haut qui s’ouvre et se ferme automatiquement en fonction de la différence de température entre l’intérieur et l’extérieur du bâtiment. Cette solution offre des débits de ventilation limités et n’est pas adaptée aux environnements bruyants. L’ouverture même de la fenêtre (manuelle/automatique) est également possible, moyennant un dispositif anti-intrusion.

Free cooling naturel transversal

Les fenêtres et portes intérieures du bâtiment sont munies de grilles afin de permettre la circulation de l’air d’une façade du bâtiment à l’autre. Cette solution occasionne souvent des courants d’air, c’est pourquoi elle est plus adaptée de nuit. Par contre, elle offre un bon renouvellement d’air.

Free cooling naturel avec un tirage par cheminée verticale

Des ouvertures en façade permettent l’entrée de l’air qui circule jusqu’en toiture par effet cheminée. Cet « effet cheminée » peut être assisté par un ventilateur d’extraction. Toutefois, cette solution n’est pas évidente à mettre en place, car les normes anti-incendie impliquent que les transferts d’air entre étages soient obturables automatiquement.

Free cooling mécanisé

Le free cooling mécanisé propose d’alimenter directement les zones à rafraîchir avec de l'air frais ou de l’eau sans nécessiter l'enclenchement des groupes frigorifiques. Seuls les pompes et les ventilateurs fonctionnent.

Le fonctionnement du free cooling varie suivant les installations. En ce qui concerne les installations à eau glacée, l’eau du circuit se refroidit elle-même grâce à l’air extérieur. L’avantage du réseau d’eau glacée réside dans la facilité de contrôle par rapport à une circulation d’air. Toutefois, on perd quelques degrés par rapport à l'air extérieur (de l'air à 16°C fera de l'eau à 19°C...).

Les installations à air sont un peu plus complexes dans le sens où durant les nuits d’été, il faut que le rafraîchissement fonctionne en « tout air neuf ». C'est-à-dire que 100% de l’air ventilé dans le bâtiment provient de l’extérieur. Durant la mi-saison, l'air extérieur assure seul le refroidissement par mélange avec l'air recyclé grâce à un mélangeur ou un échangeur de chaleur entre l’air extrait et l’air pulsé.

Pour que le free cooling mécanisé soit rentable, il faut que :

La consommation des pompes, extracteurs et ventilateurs soit faible
L’inertie du bâtiment soit importante (structures bétons, cloisons lourdes…) afin que le free cooling puisse refroidir la masse thermique du bâtiment en déchargeant le bâtiment de la chaleur accumulée en journée

Au niveau du potentiel d’économie, dans un bâtiment « type » on peut espérer :

Environ 40% d’économie si le bâtiment possède une forte inertie thermique (structure béton, pas de faux plafond et plancher, etc.)
Environ 20% d’économie si le bâtiment possède une faible inertie thermique (cloisons en plâtre, faux plafond, etc.)

Limites

L’efficacité du free cooling est limitée par les températures extérieures. Malheureusement, c’est lorsque la demande en froid est la plus forte que les températures extérieures sont également les plus fortes d’où une efficacité moindre du refroidissement. Le free cooling naturel par ouverture manuelle ou automatique des fenêtres est efficace et nécessite peu d’investissement, cependant il réduit la sécurité du bâtiment. L’installation de dispositifs pour fenêtres anti-intrusion est indispensable.

Investissements et temps de retour

Il est difficile de donner un chiffre exact, car les investissements peuvent être très variables d’un bâtiment à l’autre suivant l’installation de base. Toutefois, la mise en place d’un free cooling sera facilitée s’il est intégré dès la conception du bâtiment.