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Extraits condensés du « Guide pour la Gestion de l’Energie dans les Bâtiments du Culte »
LE CHAUFFAGE DES EGLISES | QUELLE ENERGIE CHOISIR ? | RAPPEL DE NOTIONS DE PHYSIQUE DU BATIMENT | LE CONFORT DES FIDELES | LA TEMPERATURE INTERIEURE | L'HUMIDITE DE L'AIR | LE CONFORT ACOUSTIQUE | VENTILATION | GENERATEUR D'AIR CHAUD
De nos jours, on ne conçoit plus qu'un service religieux puisse se célébrer en plein hiver sans un minimum de chauffage. Toutefois, les paroissiens conservant leurs vêtements d'hiver durant l'office, une température relativement modérée est suffisante. De 6 à 8°C au début du 20ème siècle, elle a progressivement augmenté avec nos exigences et l'allègement des survêtements pour atteindre 12 à 15°C et même parfois 18°C à l'heure actuelle. Assurer le meilleur confort thermique des occupants, c'est tenter de maintenir une même température dans toute la zone ouverte au public tout en essayant de réduire l'écart de température existant entre les parois et l'air ambiant. La majorité des églises datent des deux derniers siècles. Bien entendu, nombre d'entre elles ont connu des modifications au cours du temps. Dans ces cas, on retient la date de construction de la nef centrale ou celle de la dernière restauration importante. Ces bâtiments sont généralement construits en pierres ou en briques. Le choix du matériau est fonction de l'époque et du style, mais surtout de la région et de ses ressources en matériaux naturels. Le béton est apparu au XXe siècle, en même temps que le goût pour les bâtiments plus dépouillés, plus fonctionnels. Certaines églises récentes sont même construites suivant les principes de construction moderne : double mur avec parfois insertion d'isolant. L'occupation des bâtiments varie très fort d'une paroisse à une autre. Dans de nombreux villages, une seule messe a lieu soit le samedi, soit le dimanche. Dans les centres plus importants, par contre, l'église est utilisée tous les jours et plusieurs offices dominicaux sont célébrés. La plupart des églises ne sont chauffées que durant les offices religieux. Néanmoins, certaines restent ouvertes au public entre les cérémonies. Par économie, on aura tendance à réduire au strict minimum le temps de chauffage du bâtiment. On recherchera donc un système de chauffage rapide, économique et surtout très silencieux. Pour des raisons d'esthétique, l'installation devra de plus être peu visible et discrète.
On le voit déjà, chauffer un édifice religieux constitue un compromis difficile entre ces deux facteurs:
- confort acceptable : chauffer de manière homogène, - économie d'énergie : chauffer vite et localement.
Le système de chauffage le plus adapté est sans conteste l'air chaud pulsé, en général avec pulsion et reprise d'air en recyclage et en tout cas la reprise au sol. Seulement 7 % des églises sont équipées d'un chauffage central conventionnel avec radiateurs mais ont un inconvénient majeur, l'inertie énorme de la masse d'eau à réchauffer avant l'office et la perte de calories inutiles après celui-ci. Parfois, cela peut se justifier si l'église est intégrée à un grand ensemble (collège, centre récréatif...) et est alors connectée à son système de chauffage à circulation d'eau chaude. Pour mémoire, d'autres systèmes existent : des panneaux radiants au gaz, des radiateurs électriques dans les petites églises de construction récente ou pour assurer un appoint. Le chauffage par le sol est parfois utilisé comme chauffage de base, le complément de chaleur étant alors assuré par un système à air. Enfin, les tout petits volumes (des chapelles par exemple) sont encore parfois chauffés par un poêle. Tous ces systèmes sont très disgracieux, parfois plus chers à l'installation et toujours à l'exploitation. Si l'édifice abrite un patrimoine artistique de valeur, on ne peut y tolérer que de lentes variations de l'humidité relative. Il est alors conseillé de ne pas accroître la température des lieux de plus de 2 à 2,5°C par heure. En particulier, ceci impose une mise en régime progressive du chauffage avant l'office. Idéalement, le niveau d'humidité relative devrait être maintenu aux alentours de 60%. Si le patrimoine à protéger se situe en hauteur, la stratification thermique rend cette exigence difficile à respecter. Concilier toutes ces contraintes n'est pas toujours possible mais, heureusement, elles ne sont pas souvent toutes présentes simultanément.
Le mazout de chauffage C'est le combustible le plus populaire. Même si son prix est sensible à la conjoncture internationale. Les générateurs au mazout peuvent s'encrasser et nécessitent un entretien annuel comprenant le réglage du brûleur et le ramonage de la cheminée. Ce combustible peut être utilisé partout mais nécessite un stockage volumineux.
Le gaz naturel Son prix est légèrement supérieur à celui du mazout. Ses fluctuations sont cependant moins importantes. Les installations au gaz sont propres et ne demandent pratiquement pas d'entretien, ce qui fait que le rendement reste toujours intégralement à son niveau le plus élevé. Il ne nécessite pas de stockage mais n'est pas disponible partout car le réseau de distribution n'existe que dans les centres urbains.
Le gaz LPG Son prix est plus élevé que celui des combustibles précédents. Son usage est identique à celui du gaz naturel. Il nécessite un stockage peu volumineux. Le réservoir doit être situé à l'extérieur (ce qui n'est pas toujours esthétique). Son installation est sujette à autorisation et doit respecter des normes de sécurité. On lui préfère généralement le gaz naturel ou le mazout, selon les disponibilités. Pour chauffer une église, on ne l'envisage que si l'on désire utiliser un chauffage au gaz dans une région non desservie par le gaz naturel. Mais 'l'énergie' à utiliser n'est pas un facteur déterminant puisque c'est le système de chauffage qui importe. A savoir : la production d'air chaud pulsé avec un brassage énergique (pour ne pas laisser stagner des calories inutiles sous les voûtes) et sans fluide intermédiaire (réchauffement direct de l'air) au moyen d'un générateur de qualité utilisant au choix le gaz ou le mazout.
RAPPEL DE NOTIONS DE PHYSIQUE DU BATIMENT LES TRANSFERTS DE CHALEUR Les modes de transfert Dès qu'une différence de température apparaît quelque part, elle provoque un transfert de chaleur des zones chaudes vers les zones plus froides. Si le transfert s'effectue à l'intérieur d'un corps solide (un mur par exemple) ou entre deux corps en contact, on parle de conduction. S'il a lieu entre une surface et un fluide (par exemple entre une paroi et l'air d'un local), il s'agira de convection. Si enfin le transfert a lieu sans contact du tout, entre deux surfaces portées à des températures différentes et placées en regard l'une de l'autre, le transfert de chaleur s'effectue par rayonnement. Ces modes de transfert régissent le bilan thermique d'un local ou d'un système de chauffage, mais ils permettent également de comprendre la régulation de la température du corps humain. En effet, nous produisons de la chaleur en permanence et une partie de celle-ci est échangée avec l'ambiance :
La conduction en régime établi Considérons un mur constitué d'une succession de couches de matériaux différents. Une de ses surfaces se trouve en contact avec l'extérieur, l'autre est à l'intérieur d'un local chauffé. Un flux de chaleur s'établit entre l'intérieur et l'extérieur. Il constitue une déperdition thermique pour le bâtiment. Cette perte sera d'autant plus grande que :
- sa surface est grande; - l'épaisseur de la paroi est faible; - les matériaux sont bons conducteurs de la chaleur. Cette dernière propriété est mesurée par la conductivité thermique ë des matériaux. Plus le matériau est bon conducteur, plus sa conductivité est grande. A l'inverse, plus il est isolant, plus sa conductivité est faible. Pour diminuer les déperditions d'un bâtiment, il faut augmenter la résistance thermique de ses murs extérieurs. On doit donc en augmenter l'épaisseur ou les construire en matériaux peu conducteurs. D'où l'intérêt des isolants qui présentent une très faible conductivité. Dans une moindre mesure, le bois peut aussi jouer ce rôle. Le verre n'est pas très conducteur mais il est utilisé en très faible épaisseur. Il présente donc une résistance thermique très faible.
La convection La convection est un transfert de chaleur entre un solide et un fluide qui sont à des températures différentes. La transmission par convection est d'autant meilleure que la vitesse du fluide est élevée ou que l'écart de température entre paroi et fluide est important. Dans un local, le fluide en question est l'air ambiant.
Il est par exemple mis en mouvement par l'effet de bouches de ventilation (vitesse connue, convection dite forcée). Il peut aussi se mouvoir par gravité, l'air chauffé ayant tendance à monter. Dans ce cas, on parle de convection naturelle, directement fonction de l'écart de température entre la grille de reprise et celle de pulsion au sol (comme les premières installations du début du 20ème siècle).
Deux surfaces maintenues à des températures différentes échangent de la chaleur par rayonnement si elles sont en regard l'une de l'autre. L'air ambiant n'absorbe pratiquement aucune partie de ces radiations. La chaleur rayonnée dépend des propriétés d'émission et d'absorption des surfaces mais aussi de leur position relative et de leurs températures.
Les effets transitoires La conduction dans les parois d'un bâtiment, telle qu'elle a été décrite ci-avant supposait que les conditions d'ambiance à l'intérieur comme à l'extérieur ne variaient pas dans le temps. Tout particulièrement dans les églises, il n'en est rien. Très souvent, le chauffage et l'occupation des locaux sont intermittents et les parois très épaisses n'ont pas le temps d'atteindre un régime permanent. C'est ici l'inertie des parois qui joue son rôle. Et cette inertie est mesurée par la capacité thermique des matériaux, constituée du produit de leur masse spécifique et de leur chaleur spécifique. Le paramètre qui joue un rôle fondamental lors de la mise en régime du chauffage est le coefficient de pénétration de la chaleur dans les parois lourdes. Il dépend à la fois de la capacité thermique et de la conductivité des matériaux et s'écrit : b = Öñ c ë. On l'appelle aussi coefficient de contact car c'est lui qui détermine le flux de chaleur passant d'un corps à un autre lorsqu'ils sont mis en contact. Plaçons donc notre doigt sur une dalle de pierre. Nous éprouvons une sensation de froid, du fait qu'un flux de chaleur important traverse notre peau et quitte le doigt. Ceci est dû au fait que le coefficient de contact de la pierre est élevé (matériau lourd) et assez bon conducteur de la chaleur. Le même doigt sur un panneau de bois dans le même local ne ressentira pratiquement rien car le coefficient de contact du bois est faible et il y a peu de chaleur qui transite du doigt vers le panneau. On conçoit maintenant que ce coefficient jouera un rôle important dans l'évaluation des besoins en chauffage d'une église qui n'est pas chauffée en permanence. La stratification thermique Le système de chauffage et la chaleur dégagée par les occupants chauffent l'air de la partie inférieure de la nef de l'église. Cet air chaud a tendance à monter vers la voûte de l'édifice. Il en chasse des masses d'air qui se sont refroidies au contact des parois supérieures et qui descendent le long des murs extérieurs de l'église. Ce faisant, elles continuent à se refroidir. En particulier la surface froide des vitrages accentue ce mouvement d'air froid vers le sol. Vu la grande hauteur de ces édifices, la différence de température entre l'air sous la voûte et au sol peut atteindre 5 à 10°C. Ce phénomène est connu sous le nom de stratification thermique.
La sensation de confort est une notion difficile à cerner. Elle dépend d'un très grand nombre de critères, dont certains sont tout à fait subjectifs. Le confort est avant tout réalisé par un équilibre thermique adéquat entre le corps humain et son environnement. Il est influencé par :
- la température des parois et celle des émetteurs de chaleur (échanges par rayonnement); - la vitesse de l'air en circulation dans le local, qui agit notamment sur l'intensité des échanges convectifs; - les vêtements qui contribuent à la résistance thermique du corps. D'autres facteurs agissent sur notre confort :
- le niveau de bruit dans l'ambiance; - la qualité de l'air respiré; - la lumière et les couleurs ...
LE BILAN THERMIQUE D'UN INDIVIDU Notre métabolisme génère en continu de la chaleur en quantité d'autant plus grande que nous sommes actifs, mais tente de maintenir la température de notre corps aux environs de 37°C. Dès lors, il régularise notre bilan thermique en cédant plus ou moins de chaleur aux alentours. L'impression de confort est atteinte si la perte de chaleur vers l'ambiance équilibre la production de chaleur corporelle. En céder trop provoque une impression de froid (chair de poule). Par contre, si l'écart de température entre le corps et l'ambiance n'est pas suffisant, les échanges par convection et rayonnement ne peuvent plus évacuer la chaleur produite en excès. Le corps doit alors la céder par évaporation d'eau et de transpiration. Pendant un service religieux, un individu présente une faible activité physique. On estime qu'il produit 100 à 120 W de chaleur. Celle-ci se dissipe :
- par conduction vers le siège et par le contact des pieds sur le sol. Cette perte reste faible car la surface de contact n'est pas grande mais elle peut devenir très inconfortable : qui a froid aux pieds a froid partout. La conduction est plus grande sur un sol présentant un coefficient de contact b élevé comme des dalles de marbre ou de la pierre que sur un plancher de bois ou un tapis; - par convection avec l'air du local. La sensation d'inconfort se fait surtout sentir aux endroits du corps les plus exposés aux courants d'air, c'est-à-dire la nuque et les chevilles; - par rayonnement vers les parois environnantes. Ce phénomène est particulièrement important dans une église où les murs extérieurs se réchauffent peu et demeurent sensiblement plus froids que l'air. Parfois, il est possible de réduire l'inconfort - enfin, par évaporation. Par temps froid, cette contribution se produit essentiellement par la respiration et plus particulièrement durant les chants lors d'un office religieux. On évalue à 0,05 l/h la production d'eau d'une personne dans ces conditions (dégagement de 35 W).
Du fait de ces différents échanges thermiques, l'individu a la sensation que l'ambiance qui l'entoure se trouve à une température résultante globale, que nous appellerons température intérieure ti. Cette température est une combinaison de deux termes :
- une composante de rayonnement r, qui tient compte des échanges par rayonnement entre le corps humain et les parois environnantes : ti = ta + r L'équilibre thermique produisant des conditions confortables est obtenu quand cette température intérieure ti est maintenue égale à une valeur de confort, variable selon les situations. Dans des bureaux ou des locaux d'habitation, elle est de 20°C. Elle descend entre 14 et 18°C dans les ateliers industriels selon le niveau d'activité qui y règne. Dans une église, si les paroissiens gardent leurs vêtements d'hiver, on peut tabler sur 12 à 15°C. Les parois environnantes sont plus froides que le corps humain. Ce dernier perd donc de la chaleur par rayonnement. Cela se traduit par une valeur négative de la composante r. Si, simultanément, la température d'air est inférieure ou égale à la valeur de confort, la température intérieure est trop peu élevée. Il faut alors chauffer le local. Il existe deux manières d'amener la température intérieure à la valeur de confort imposée :
- augmenter la composante r en disposant des panneaux chauffants portés à des températures plus élevées que celle du corps humain.
La sensation de confort est beaucoup moins sensible à l'humidité de l'air. En pratique, une humidité relative comprise entre 30 et 80% sera acceptée sans problèmes. En dessous de 30 %, la gorge et le nez s'assèchent, les tapis peuvent générer de l'électricité statique. Au-dessus de 80 %, l'air est presque saturé en vapeur d'eau, ce qui contrarie l'évaporation du corps humain. Cela provoque une gêne particulièrement sensible quand il fait chaud.
Un faible niveau de bruit s'impose dans une église, particulièrement si la hauteur de voûte favorise la réverbération des sons. Les sources de bruits sont souvent liées au mode de chauffage :
- le brûleur d'une chaudière ou d'un générateur d'air chaud; - le ventilateur d'un groupe de traitement d'air ou d'un générateur d'air chaud; - la vitesse excessive de l'air dans les gaines de ventilation et aux bouches de pulsion ou de reprise.
On peut par exemple y parvenir :
- en plaçant LES GENERATEURS D'AIR CHAUD dans des locaux murés et bien étanches (double porte, etc.); - en limitant le débit d'air durant les offices (débit variable); - en dimensionnant les gaines et bouches de ventilation de manière à ce que la vitesse de l'air n'atteigne pas une vitesse excessive; - en étudiant particulièrement la forme des gaines et caniveaux.
Pour des raisons d'hygiène mais aussi de confort, un renouvellement d'air minimum est requis. Dans des églises qui ne sont en général pas des bâtiments très étanches, ce débit est aisément assuré par ventilation naturelle. Il n'y a donc pas lieu d'y introduire mécaniquement de l'air frais d'autant plus si les lieux ne sont pas fréquentés durant de longues périodes.
Principe Le générateur de chaleur est constitué d'une chambre de combustion surmontée d'un échangeur à tubes de fumées. L'air est aspiré de l'église par un ventilateur. Il se réchauffe en circulant de bas en haut autour de la chambre de combustion puis entre les tubes de fumées et est ensuite propulsé à nouveau dans l’église.
Disposition dans l'église Dans la configuration la plus courante, le générateur est disposé dans un local annexe. La prise d'air est disposée au niveau du sol pour reprendre les couches d'air les plus froides et la bouche de soufflage est située dans le haut d'un mur de séparation local chaufferie/Eglise ou également dans le pavement. Elle est disposée de manière à favoriser un mouvement circulaire de l'air dans l'église. Le confort assuré par un tel système est agréable et l'installation est discrète puisque seules les grilles de pulsion et de reprise sont visibles. Si la vitesse des ventilateurs est modérée et si la grille de pulsion est suffisamment grande, le système est très silencieux. Le générateur est parfois équipé de ventilateurs à deux vitesses: rapide en période de préchauffe, lente durant les périodes d'occupation.
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