Bureaux

Un plateau de bureaux est le terrain le plus courant de la climatisation, et celui où les choix de système se discutent le plus. Les méthodes sont déjà en place : charges du bureau de référence (chapitres 19 à 21), centrale d'air neuf (chapitre 42), réseau d'eau glacée (chapitre 51). Ce chapitre les assemble sur le plateau du cours, 2 160 m², 100 bureaux et 200 personnes, et compare ce que deviennent les mêmes charges avec trois émetteurs : le ventilo-convecteur de référence, la poutre froide active et le plafond rafraîchissant.

54.1 Ce qui fait un bureau

Le bureau de référence mesure 21,6 m² pour deux personnes, soit 10,8 m² par occupant. Ses apports internes, occupants, éclairage et informatique, valent 602,8 W, soit 27,9 W/m², avant tout apport solaire. La façade vitrée ajoute le reste, et la pointe sensible atteint 822 W à 17 h 59, soit 38,1 W/m², quand le soleil d'ouest tombe sur une paroi lourde déjà chargée (chapitre 21).

Quatre traits distinguent ce local d'un logement. Les charges sont fortes et intermittentes : rien la nuit et le week-end, tout entre 7 h et 18 h, et le matin il faut évacuer la chaleur que la structure a stockée. La densité d'occupation impose un débit d'air neuf important. Le confort est jugé de près, par des gens assis et immobiles pendant des heures, avec des exigences d'acoustique qu'un séjour ne connaît pas. Enfin, le cloisonnement change : un plateau se redécoupe plusieurs fois dans sa vie, et le système doit suivre une trame (ici 2,7 m) sans travaux lourds.

54.2 Trois fonctions à séparer

Un système de bureau doit faire trois choses qui n'ont pas les mêmes ordres de grandeur, et la bonne conception commence par les séparer.

Ventiler. L'air neuf sert d'abord la santé et la qualité de l'air (chapitre 35). Le Code du travail, article R4222-6, fixe un minimum de 25 m³/h par occupant dans un bureau ; la centrale du plateau souffle 50 m³/h dans chaque bureau, soit 5 000 m³/h au total. Ce débit ne dépend ni de la météo ni de la charge : il dépend du nombre de personnes.

Traiter l'humidité. Chaque occupant dégage environ 45 W de chaleur latente, soit 90 W par bureau et 9 kW pour le plateau. Dans la conception du cours, l'air neuf porte toute cette charge : la centrale le sèche à 8,26 g/kg et le souffle à 13,5 °C (chapitre 42). En se chargeant des 90 W latents, il gagne 2,204 g/kg, et l'ambiance s'établit à 10,47 g/kg, soit 50 % à 26 °C et un point de rosée de 14,8 °C. Ce point de rosée est la donnée qui gouverne tout le reste du chapitre.

Traiter la charge sensible. L'air neuf, soufflé 12,5 K sous l'ambiance, en prend une part ; l'émetteur du bureau fait le reste. Sa température d'eau, sa puissance et son confort décident du système.

1. Pointe sensible du bureau de référence : 822 W à 17 h 59.
2. Air neuf : 50 m³/h soufflés à 13,5 °C et 8,26 g/kg dans une ambiance à 26 °C et 10,47 g/kg. Par la différence d'enthalpie à l'humidité de soufflage, il prend 212,8 W ; en convention d'air sec, ρ cₚ q ΔT donne 209,6 W, et le réseau d'air (chapitre 33) arrondit à 210 W. L'écart tient à la chaleur sensible de la vapeur portée par l'air ; les chapitres 33 et 35 gardent 210 W, soit 25,5 %.
3. Part de l'air : 212,8 / 822 = 25,9 %. L'émetteur doit fournir 609,2 W, soit 28,2 W/m².
4. Sur le plateau, à la pointe de projet : 21,3 kW pris par l'air, 60,9 kW par les émetteurs, et 32,51 kW à la batterie froide de la centrale, qui sèche et refroidit l'air neuf.

Un quart de la charge seulement passe par l'air hygiénique. Les trois quarts restants demandent un émetteur, et c'est là que les systèmes divergent.

54.3 Panorama des systèmes

Tout air. On peut tout traiter par l'air, à débit constant (VAC) ou variable (VAV, chapitre 41). Il faut alors souffler assez d'air pour porter toute la charge sensible : au même écart de 12,5 K, 193,1 m³/h par bureau, 3,86 fois l'air hygiénique, et 19 315 m³/h pour le plateau. À puissance spécifique égale, les ventilateurs passent de 3,42 kW à 13,2 kW. Les gaines grossissent d'autant, et le faux plafond avec. Le tout air garde ses atouts (aucune eau dans les bureaux, refroidissement gratuit par l'air extérieur en mi-saison) dans les locaux à forte occupation ; dans un bureau courant, l'air est un mauvais fluide caloporteur.

Air-eau à ventilo-convecteurs. C'est le système de référence du plateau : un ventilo-convecteur de 822 W par bureau en faux plafond, alimenté en eau glacée 12/6 °C, avec l'air neuf soufflé à part. Le ventilateur brasse l'air de la pièce sur une batterie froide. En deux tubes, une seule boucle sert à chauffer l'hiver et à refroidir l'été ; en quatre tubes, chaque appareil a deux batteries et peut chauffer un bureau pendant qu'il refroidit son voisin. Le plateau du cours est en quatre tubes, avec de l'eau chaude à 45/35 °C par grand froid.

Poutres froides. Une poutre active reçoit l'air primaire, ici l'air neuf, et le fait sortir par des buses ; ce jet induit l'air de la pièce à travers une batterie à eau. Il n'y a ni ventilateur ni filtre dans le bureau. Une poutre passive n'a pas d'air primaire : c'est une batterie suspendue où l'air refroidi tombe par gravité, sans possibilité de chauffer. Une poutre active peut chauffer avec une seconde batterie, ou en deux tubes avec une eau inversée selon la saison ; sa puissance de chauffage reste modeste, et elle convient aux bâtiments bien isolés.

Plafonds rafraîchissants. Des panneaux métalliques parcourus par un tube en méandre échangent par rayonnement et convection avec la pièce. Le confort est le meilleur des trois, presque sans mouvement d'air ; la puissance est la plus faible. Un plafond chauffe mal : l'air chaud reste en haut et la tête reçoit trop de rayonnement. On le complète alors par des radiateurs en allège ou par l'air neuf réchauffé.

La figure 54.1 met les trois émetteurs dans la même travée, avec le même air neuf, pour comparer ce qu'ils exigent de l'eau et de l'air.

54.4 Dimensionner une poutre froide active

Une batterie sèche, sans condensation, échange une puissance sensible proportionnelle à l'écart entre l'air ambiant et la température moyenne de l'eau. Pour une poutre, on la rapporte au mètre :

Le coefficient k (en W/(m·K)) dépend du débit d'air primaire, de la pression aux buses et de la géométrie de la batterie. Les constructeurs le mesurent sur banc selon une norme européenne d'essai propre aux poutres actives. Ce chapitre ne reprend aucune valeur de catalogue : il prend k = 20 W/(m·K), un ordre de grandeur pour une poutre qui ne reçoit que l'air hygiénique, ici 3,9 l/s par mètre. Une poutre plus richement alimentée en air donne davantage ; le dimensionnement réel se fait sur la courbe du produit choisi.

1. Puissance à fournir par l'émetteur : 609,2 W (section 54.2), ambiance tₐ = 26 °C.
2. Régime 14/17 °C : tₘ = 15,5 °C, la poutre donne 20 × 10,5 = 210 W/m. Il faut 609,2 / 210 = 2,90 m. Mais le départ à 14 °C est 0,8 K sous le point de rosée de l'ambiance (14,8 °C) : la batterie condenserait, et une poutre n'a pas de bac.
3. Régime 16/19 °C : tₘ = 17,5 °C, 170 W/m. Il faut 609,2 / 170 = 3,58 m, et le départ est 1,2 K au-dessus de la rosée.
4. Choix : deux poutres de 1,8 m par bureau, une par trame de 2,7 m, soit 3,6 m installés et 612 W en 16/19 °C. Les mêmes 3,6 m donneraient 756 W en 14/17 °C, si l'air était assez sec pour le permettre.
5. Côté air : les buses demandent environ 80 Pa de pression statique, là où la bouche du bureau n'en prenait que 11,6 (vitesse 2,78 m/s). Il faut 68,4 Pa de plus à la centrale, soit 146 W de ventilateur pour le plateau.

Le plafond rafraîchissant se dimensionne de la même manière, au mètre carré actif. Avec un ordre de grandeur de 8 W/(m²·K), il donne 68 W/m² en 16/19 °C : il faut 8,96 m² actifs, 41 % du plafond. Cet ordre de grandeur rejoint la méthode du chapitre 27, courbe de surface du plafond rafraîchissant et panneau à 0,03 m²·K/W : en 16/19 °C, elle donne 8,13 W/(m²·K), 69,1 W/m² et 8,82 m² actifs, à 1,6 % de la surface retenue ici. Les luminaires, bouches et détecteurs en occupent une partie : avec 70 % de plafond actif au plus, on dispose de 15,12 m² et de 1 028 W. Le bureau de référence passe, mais un bureau plus chargé ou plus vitré atteint vite la limite.

54.5 L'eau tiède et le point de rosée

Poutres et plafonds travaillent en eau tiède, au-dessus du point de rosée de l'ambiance, et c'est une condition de fonctionnement, pas un réglage de confort. Un ventilo-convecteur à 6 °C condense : sa batterie ruisselle dans un bac, que l'on vidange et que l'on entretient. Une poutre ou un panneau n'a pas de bac. S'ils condensent, l'eau tombe sur les bureaux ou mouille le plafond.

La règle de l'art fixe donc le départ au-dessus de la rosée, avec une marge. Le cours prend 1 K, un exemple ; les guides publics recommandent une marge du même ordre et une sonde qui relève la température d'eau si la rosée monte. Sur le plateau, la rosée de 14,8 °C impose un départ d'au moins 15,8 °C : le régime 16/19 °C tient, le 14/17 °C non.

Pour descendre à 14/17 °C, il faudrait sécher davantage l'air neuf. Avec la même marge de 1 K, l'ambiance devrait avoir une rosée de 13,0 °C, soit 9,31 g/kg (45 % à 26 °C). L'air neuf devrait alors être soufflé à 7,11 g/kg, une rosée de 9,0 °C, 1,15 g/kg plus sec qu'aujourd'hui. La batterie de la centrale demanderait 4,70 kW de froid latent en plus, à une eau plus froide. Le gain sur la longueur de poutre se paie à la centrale.

Le même raisonnement vaut pour le plafond : à 14/17 °C, il donnerait 84 W/m² au lieu de 68. Les fabricants l'annoncent volontiers ; il suppose une ambiance plus sèche que celle que la centrale produit.

54.6 L'eau tiède et le groupe

L'eau tiède a un second intérêt, côté production. Un groupe qui sort l'eau à 16 °C évapore plus haut, et son coefficient d'efficacité frigorifique (EER) monte. Pour le chiffrer, on reprend le groupe du plateau avec ses mêmes compresseurs, échangeurs et débits, et l'eau de tour de projet ; seule change la consigne de départ.

1. Départ 6 °C, régime de référence : 120,0 kW, évaporation à 2,00 °C, condensation à 32,95 °C, EER 5,215.
2. Départ 14 °C : 148,3 kW, évaporation à 9,06 °C, EER 6,619.
3. Départ 16 °C : 156,0 kW, évaporation à 10,80 °C, condensation à 34,92 °C, EER 7,055.
4. Gain : 35,3 % entre 6 et 16 °C, environ 3,1 % par kelvin de départ. Pour les 60,9 kW des émetteurs du plateau, aux EER de pleine charge, la puissance électrique passe de 11,68 kW à 8,64 kW.

À débit d'eau inchangé, les 156,0 kW du départ à 16 °C reviendraient à 23,8 °C : ces EER comparent deux consignes de départ à pleine charge, pas le régime 16/19 °C complet. Le calcul annuel de la section 54.10 vérifie que l'écart tient à charge partielle.

Ce gain n'existe que si l'eau tiède sort d'une machine réglée pour elle. La batterie de la centrale a toujours besoin d'eau froide pour sécher l'air : il faut donc soit un second groupe, dédié aux émetteurs, soit une seule production à 6 °C dont on tire l'eau tiède par mitigeage. Le mitigeage est plus simple et ne gagne rien sur le groupe. Le groupe dédié, ou un groupe à deux températures, est la condition du gain.

54.7 Les limites de l'eau tiède

Une puissance plafonnée. Avec les ordres de grandeur du cours, une poutre donne 170 W/m en 16/19 °C et un plafond 68 W/m². Le bureau de référence demande 609,2 W et ses 3,6 m de poutre en donnent 612 : il n'y a presque pas de réserve. Un bureau d'angle ou plus vitré demande plus de mètres ou plus de surface, et ce que l'eau tiède ne peut pas donner, il faut le demander à l'air.

Une dépendance à la centrale. Le système n'est sûr que si l'air neuf est sec. Si la centrale s'arrête un jour d'orage, si sa batterie perd de la puissance, ou si l'occupation dépasse le projet, la rosée monte et les poutres sont menacées. La régulation doit relever l'eau ou fermer les vannes au signal d'une sonde de rosée, et la centrale doit démarrer avant les émetteurs.

Les ouvrants. Une fenêtre ouverte en été fait entrer de l'air humide. Un contact de fenêtre doit fermer la vanne du bureau ; sans lui, la poutre condense. Sur un ventilo-convecteur, la même fenêtre ne crée qu'un gaspillage.

La relance. Pendant la nuit, la structure du bureau a stocké 3 230 Wh. Un ventilo-convecteur de 822 W les évacue entre 12 h et 13 h. Une poutre de 612 W tient la charge de la journée, mais son surplus fond à mesure que la charge monte : à 18 h, il reste 667 Wh, 21 % du stock, et l'ambiance n'a pas rejoint sa consigne. La réponse habituelle est de démarrer plus tôt : en marche dès 6 h, le stock est vidé dans la journée. La figure suit les deux relances : à 8 h, la structure garde encore 2 118 Wh avec les poutres, contre 1 698 Wh avec le ventilo-convecteur.

Le chauffage. Une poutre active peut chauffer le bureau de référence : 316,4 W par −7 °C, soit 87,9 W/m sur 3,6 m, avec une eau moyenne de 24,4 °C si son coefficient reste le même en chaud, ce qui est une simplification. L'air chaud tend à rester sous le plafond : on garde l'eau de chauffage tiède et on vérifie que l'air descend bien vers la façade.

54.8 Confort et acoustique

Les trois émetteurs ne donnent pas le même confort. Un ventilo-convecteur souffle de l'air nettement plus froid que l'ambiance, à vitesse sensible ; mal placé, il crée un courant d'air sur un poste, le défaut le plus fréquent des bureaux climatisés (chapitre 14). La poutre active souffle l'air induit, mélangé, à une température plus proche de l'ambiance ; ses jets restent sensibles près des façades où deux poutres se rencontrent. Le plafond ne crée presque aucun mouvement d'air. Sa limite est l'asymétrie de rayonnement : un plafond trop froid au-dessus d'une tête se ressent. L'ISO 7730:2025 en donne la méthode d'évaluation (chapitre 14), et l'EN 16798-1:2019 range les ambiances en catégories (chapitre 33).

Côté bruit, le ventilo-convecteur porte un ventilateur dans chaque bureau, à quelques mètres des occupants. Une poutre n'a que des buses : son bruit vient de la pression qu'on leur donne, et il se règle à la centrale. Un plafond est silencieux. Le chapitre 34 donne la méthode de calcul du niveau dans le bureau.

54.9 Flexibilité et maintenance

Un plateau de 100 ventilo-convecteurs, c'est 100 ventilateurs, 100 filtres à changer, 100 bacs et autant de pompes de relevage ou d'écoulements à entretenir (chapitres 71 et 73). Un filtre colmaté réduit le débit d'air et la puissance ; un bac mal vidangé devient un problème d'hygiène. Les poutres et les plafonds n'ont ni moteur ni filtre ni bac : on aspire les batteries des poutres à intervalles de quelques années, et le plafond se nettoie comme un plafond.

Pour la flexibilité, la poutre suit la trame : une poutre par trame de 2,7 m, une vanne et un régulateur par bureau. On redécoupe sans toucher aux appareils, à condition d'avoir prévu une vanne par trame. Le ventilo-convecteur du plateau sert un bureau entier, deux trames ; une nouvelle cloison sous un appareil oblige à le déplacer ou à en ajouter un.

54.10 Énergie annuelle comparée

Sur l'année d'exemple (chapitre 74, an 1), on compare les deux systèmes à air neuf identique. La centrale tourne 2 868 h, le groupe 1 463 h et produit 63 391 kWh de froid, avec un rendement saisonnier (SEER) de 6,72 pour la production à 6 °C (chapitre 49).

Les lignes se lisent ainsi. La ventilation des poutres coûte un peu plus, à cause de la pression aux buses. Les ventilo-convecteurs, à 20 W en moyenne (ordre de grandeur d'un moteur électronique à vitesse modulée) et en marche avec la centrale, consomment 5 736 kWh, et leur chaleur, 2 926 kWh, s'ajoute au froid à produire. Pour les poutres, l'écart d'eau de 3 K double le débit des émetteurs, de 3,273 à 6,546 kg/s, et la pompe secondaire passe de 583 à 1 000 W ; les pompes et la tour sont comptées à leur puissance de projet pendant les heures de froid, une borne haute, sans la pompe primaire d'un second groupe. Les émetteurs prennent 68,9 % du froid ; le groupe dédié les produit avec une électricité réduite dans le rapport des EER, 0,739.

Les poutres économisent 6 837 kWh, 22 %, avec un groupe dédié ; avec un mitigeage depuis la boucle à 6 °C, le groupe ne gagne rien et le total des poutres remonte à 25 422 kWh. L'ordre de grandeur est solide, la décimale ne l'est pas : la part des émetteurs dans le froid annuel est prise égale à celle du jour de projet, et le rendement saisonnier relatif égal au rapport des EER à pleine charge. Un contrôle par classes, avec deux groupes identiques à charge partielle, l'un à 6 °C pour la batterie, l'autre à 16 °C pour les poutres, donne 7 844 kWh au groupe au lieu de 7 744 : l'économie reste de 22 %.

54.11 Erreurs fréquentes

Des poutres sans maîtrise de l'humidité. Choisir des poutres sans vérifier que la centrale sèche assez l'air, ou sans sonde de rosée, c'est attendre la première journée orageuse pour voir les gouttes.

Des ventilateurs qui tournent sans besoin. Des ventilo-convecteurs laissés en marche 24 h sur 24 consomment 17 520 kWh au lieu de 5 736. Il suffit de les asservir à l'occupation.

Chauffer et refroidir en même temps. En quatre tubes, une régulation sans zone neutre fait passer un appareil du chaud au froid en quelques minutes, ou chauffe un bureau pendant que son voisin refroidit. Il faut une zone neutre entre la consigne de chaud et celle de froid, et des consignes communes par façade.

Compter le gain du groupe sans le groupe. L'eau tiède obtenue par mitigeage ne change rien à l'EER. Le calcul d'économie doit dire quelle machine produit cette eau.

Oublier les ouvrants et la relance. Une poutre sans contact de fenêtre condense ; une poutre démarrée à 7 h n'a pas vidé la chaleur de la nuit à 18 h.

À retenir

• Séparer ventilation, humidité et charge sensible : l'air neuf ventile et sèche, l'émetteur refroidit.
• Sur le bureau de référence, l'air neuf prend 25,9 % de la pointe ; l'émetteur fournit 609,2 W.
• Poutres et plafonds travaillent au-dessus du point de rosée, ici 14,8 °C : le régime 16/19 °C tient, le 14/17 °C demande un air plus sec.
• Une poutre active se dimensionne par Φ = k L (tₐ − tₘ) ; k vient de l'essai du produit, pas d'un tableau général.
• Un départ à 16 °C fait passer l'EER du groupe de 5,215 à 7,055 à pleine charge, à condition d'avoir une production dédiée.
• Les limites de l'eau tiède : puissance au mètre, dépendance à la centrale, ouvrants, relance plus lente.
• Sur l'année, sans ventilateurs dans les bureaux et avec un groupe dédié, les poutres économisent de l'ordre de 22 % des consommations comparées.

Sources publiques : REHVA, guide n° 5, Chilled beam application guidebook, 2004 ; ASHRAE Handbook, HVAC Systems and Equipment, chapitres sur les systèmes air-eau, les panneaux rayonnants et les ventilo-convecteurs ; Code du travail, article R4222-6 ; ISO 7730:2025 (méthode de l'asymétrie de rayonnement) ; EN 16798-1:2019 (catégories d'ambiance) ; normes européennes d'essai des poutres actives, des poutres passives et des plafonds rafraîchissants, citées pour leur objet seulement ; formule de Magnus (OMM) pour le point de rosée. Coefficients des poutres et des plafonds : ordres de grandeur du cours, non tirés d'un catalogue. Nombres : le modèle du cours, qui importe le modèle commun du cours.