Halls industriels

Un hall de logistique ou d'atelier est un grand volume, haut, peu occupé, souvent mal isolé et percé de portes qui s'ouvrent toute la journée. L'air chaud y monte sous la toiture, où il ne chauffe personne et se perd plus vite qu'ailleurs. Ce chapitre chiffre cet effet sur un hall d'exemple, compare trois façons de le chauffer et montre ce que coûte une porte de quai laissée ouverte.

56.1 Ce qui fait un hall

Le hall d'exemple mesure 60 × 40 m au sol et 10 m sous toiture : 2 400 m² et 24 000 m³. Il sert d'entrepôt d'un côté, d'atelier de l'autre, et vingt personnes y travaillent de 8 h à 18 h, cinq jours sur sept, soit 120 m² par personne. On le chauffe à 16 °C de température opérative au poste de travail, une consigne basse d'atelier. Il a deux portes sectionnelles de quai de 3,0 × 3,0 m.

Six traits le distinguent d'un bureau. Le volume par personne est énorme : 1 200 m³ ici. La hauteur laisse l'air chaud se ranger en couches. L'enveloppe est légère : bardage double peau, bac acier isolé, lanterneaux, dalle sur terre-plein. Les ouvertures sont fréquentes et grandes. Les apports de process peuvent dépasser le besoin de chauffage. Enfin le confort n'est exigé qu'aux postes, sur les deux premiers mètres.

Les valeurs d'enveloppe retenues sont des ordres de grandeur, dits comme tels. Pour un bâtiment existant des années 1990 : U = 0,45 W/(m²·K) pour le bardage, 0,40 pour la toiture, 2,8 pour les lanterneaux, 1,5 pour les portes, avec 0,05 W/(m²·K) de majoration forfaitaire pour les ponts thermiques, et une infiltration de 0,20 vol/h, soit 4 800 m³/h. Pour un hall neuf : 0,25, 0,20, 1,6 et 1,0 W/(m²·K), 0,10 vol/h. Les lanterneaux couvrent 6 % de la toiture (144 m²), le bardage opaque 1 982 m². La dalle non isolée a un U de 0,233 W/(m²·K) selon l'EN ISO 13370:2017, avec la convention du chapitre 17 (dimension caractéristique B′ = 24,0 m).

56.2 La stratification

L'air chaud est plus léger que l'air froid. Dans un local haut chauffé par de l'air soufflé, il monte et s'accumule sous la toiture ; l'air refroidi le long des parois et entré par les portes descend au sol. La température croît avec la hauteur ; on la décrit en première approche par un profil linéaire, de gradient vertical g, en K/m, rapporté à la consigne t_1,1 mesurée à 1,1 m :

t(z) = t_1,1 + g · (z − 1,1)

Le gradient dépend surtout du mode d'émission. Des aérothermes qui soufflent horizontalement en hauteur donnent un gradient de l'ordre de 1 K/m ; avec des déstratificateurs qui ramènent l'air du plafond vers le sol, de l'ordre de 0,3 K/m ; avec des émetteurs rayonnants, qui chauffent le sol plutôt que l'air, de l'ordre de 0,15 K/m. Ce sont des ordres de grandeur de l'usage, à remplacer par une mesure sur le site. Le modèle les réduit en proportion quand l'écart entre dedans et dehors diminue, car un hall peu chargé stratifie moins.

Avec 1 K/m et 16 °C à 1,1 m, l'air est à 14,9 °C au sol et à 24,9 °C sous la toiture. Les pieds ont froid, la toiture a chaud : c'est le contraire de ce qu'on cherche.

56.3 La hauteur dans le calcul des déperditions

Le calcul de base du chapitre 17 suppose une température d'air uniforme. Dans un hall, chaque paroi voit l'air à sa propre hauteur : un mur, la moyenne sur sa hauteur, soit la valeur à mi-hauteur pour un profil linéaire ; la toiture et les lanterneaux, l'air à 10 m ; le sol, l'air au ras du sol. L'air infiltré entre par le bas et ressort par la moitié haute de l'enveloppe, au-dessus du plan neutre (chapitre 18) : il emporte la température de cette moitié haute, prise ici à 7,5 m.

Φ_paroi = U · A · (t(z_paroi) − t_e) Φ_inf = ρ · c_p · q_inf · (t(7,5 m) − t_e)

L'EN 12831-1:2017, norme de la charge de chauffage (chapitre 17), prévoit pour les locaux de grande hauteur une correction de même principe, qui relève la température d'air selon la hauteur et le mode d'émission. Ses définitions et ses valeurs sont à lire dans le texte : aucune des valeurs de ce chapitre n'en est tirée, et l'on garde ici le profil explicite, plus parlant. La norme est en révision, attendue pour le 1^er janvier 2027.

1. Exemple 1, profil uniforme. À −7 °C dehors et 16 °C partout, le hall existant perd 22,8 kW par le bardage, 0,6 kW par les portes, 23,3 kW par la toiture, 9,3 kW par les lanterneaux, 2,6 kW par le sol et 37,1 kW par l'infiltration : 95,8 kW, soit 39,9 W/m².
2. Aérothermes, 1 K/m. Le sol est à 14,9 °C, la mi-hauteur à 19,9 °C, le niveau 7,5 m à 22,4 °C, la toiture à 24,9 °C. La toiture et les lanterneaux passent de 32,6 à 45,2 kW, l'infiltration de 37,1 à 47,5 kW ; le sol, plus froid, perd moins. Total : 121,7 kW, soit 50,7 W/m².
3. Lecture. La stratification coûte 25,9 kW, soit +27,1 % sur la puissance du calcul uniforme, presque tout par la toiture et l'air qui sort en haut. Pour le hall neuf, les mêmes calculs donnent 53,5 kW sans gradient (22,3 W/m²) et 67,2 kW à 1 K/m (28,0 W/m²) : l'isolation divise le problème, elle ne le supprime pas.

1. Exemple 2, gain de la déstratification. On ajoute des déstratificateurs : le gradient tombe à 0,3 K/m. Le sol est à 15,7 °C, la toiture à 18,7 °C.
2. La toiture et les lanterneaux ne perdent plus que 36,4 kW. La puissance tombe à 103,5 kW, soit 18,2 kW de moins (−14,9 %).
3. Les huit appareils de 120 W absorbent 0,96 kW d'électricité, dix-neuf fois moins que la chaleur économisée au point de calcul.

56.4 Les modes de chauffage

Les aérothermes sont des batteries à ailettes avec un ventilateur hélicoïde, alimentées en eau chaude depuis une chaufferie (chapitres 26 et 28) ou équipées de leur propre brûleur gaz. On les accroche en hauteur et ils soufflent horizontalement ou vers le bas. Les générateurs d'air chaud, plus gros, à brûleur et échangeur, soufflent par une gaine ou directement. Les deux chauffent l'air, que le panache renvoie vers le haut (chapitre 33 pour la portée des jets).

Les déstratificateurs ne chauffent pas : ce sont des ventilateurs suspendus sous la toiture qui reprennent l'air chaud et le renvoient vers le sol par une buse, à faible vitesse pour ne pas créer de courant d'air. Ils complètent un chauffage à air.

Les panneaux rayonnants à eau chaude sont des bandes de tôle parcourues de tubes, suspendues haut. Les tubes radiants gaz brûlent le gaz dans un tube d'acier qui monte à quelques centaines de degrés, sous un réflecteur ; un extracteur évacue les fumées dehors. Les radiants lumineux brûlent le gaz à la surface d'une plaque céramique incandescente et rejettent leurs produits de combustion dans le local, ce qui impose une ventilation suffisante. Tous chauffent d'abord le sol, les machines et les personnes ; l'air ne chauffe qu'au contact des surfaces. Leur rendement de combustion se traite comme au chapitre 61. Le modèle suppose que 55 % de la chaleur émise part en rayonnement vers le sol, un ordre de grandeur : la fraction rayonnée se mesure aux essais d'appareils et figure en général dans leur documentation.

56.5 Le confort par rayonnement

On sent la température opérative, et non la température de l'air (chapitre 14). En air calme, c'est la moyenne de la température d'air t_a et de la température moyenne de rayonnement t_r :

t_op ≈ (t_a + t_r) / 2

Avec des aérothermes, les parois froides et la toiture tiède se compensent à peu près au poste ; on prend t_r = t_a. Avec des émetteurs rayonnants, l'opérateur reçoit deux apports : le rayonnement du sol, plus chaud que l'air, et le rayonnement direct des émetteurs. Chacun se ramène à un écart de température par le coefficient d'échange radiatif h_r = 4 ε σ T³ ; le reste de l'environnement (parois, toiture) est pris, comme avec les aérothermes, à la température de l'air, et des parois plus froides réduiraient l'écart. On obtient le même confort avec un air plus froid, donc moins de pertes.

La mesure se fait au globe noir, sphère creuse de cuivre peinte en noir avec une sonde au centre : il équilibre convection et rayonnement comme un corps humain, en plus simple. L'ISO 7726:2025 fixe les appareils et les hauteurs de mesure, 0,1, 1,1 et 1,7 m pour une personne debout. Un thermomètre d'air seul trompe ici : il lit trop bas devant un radiant. Le chapitre 7 reprendra ces mesures.

1. Exemple 3, puissance rayonnante au même confort. h_r vaut 5,16 W/(m²·K). Une puissance de 96,5 kW, dont 55 % en rayonnement, éclaire le sol à 22,1 W/m² en moyenne ; le sol en absorbe 19,9 W/m² (α = 0,9) et se met 2,07 K au-dessus de l'air, d'après la loi de surface du chapitre 27, q = 8,92 Δθ^1,1.
2. L'opérateur voit le sol sur la moitié de son champ : +1,04 K. Le direct, avec un facteur de surface projetée de 0,25 (ordre de grandeur), ajoute 0,96 K. Au total t_r − t_a = 2,00 K, d'où t_a = 15,00 °C et t_r = 17,00 °C pour 16 °C opératifs.
3. Avec 0,15 K/m, le sol est à 14,83 °C et la toiture à 16,33 °C. Le hall demande 96,5 kW, soit 25,2 kW de moins que les aérothermes seuls (−20,7 %) et 7,1 kW de moins qu'avec la déstratification (−6,8 %).
4. D'où vient l'écart. Le gradient réduit vaut 22,1 kW, l'air plus froid 4,9 kW ; le sol réchauffé en reprend 1,7 kW. L'essentiel du gain tient donc au gradient supposé (1 contre 0,15 K/m) ; l'air plus froid seul n'en donne que 4,9 kW sur 25,2. Si les émetteurs sont groupés au-dessus des postes et doublent l'éclairement local, t_r − t_a monte à 3,77 K, l'air peut descendre à 14,12 °C et la puissance à 93,6 kW.
5. Contrôle. À t_a = 15,00 °C et t_r = 17,00 °C, un globe noir de 150 mm dans un air à 0,1 m/s lirait 16,22 °C, un peu au-dessus de la température opérative, parce que le globe échange moins par convection qu'un corps.

56.6 Les portes de quai

Une porte ouverte entre un dedans chaud et un dehors froid crée un échange bidirectionnel : l'air froid, plus dense, entre par le bas en nappe le long du sol ; l'air chaud sort par le haut. Le plan neutre est à mi-hauteur de la baie. La vitesse à une distance y de ce plan suit la loi d'un orifice, v = C_d √(2 g y Δρ/ρ̄). En l'intégrant sur la moitié de la hauteur, on obtient le débit dans chaque sens :

Q = (C_d / 3) · W · h · √(g · h · Δρ / ρ̄)

W et h sont la largeur et la hauteur de la baie, Δρ l'écart de masse volumique entre dehors et dedans, ρ̄ leur moyenne. C_d, le coefficient de décharge, vaut de l'ordre de 0,6 pour une baie à arêtes vives. Le vent, ignoré ici, peut renforcer ou contrarier fortement l'échange. Le débit croît comme h^1,5 : une porte haute coûte beaucoup plus qu'une porte large.

1. Exemple 4, porte de quai grande ouverte. Avec les aérothermes, l'air intérieur est à 16,40 °C à 1,5 m, mi-hauteur de la baie. Les masses volumiques valent 1,2190 kg/m³ dedans et 1,3262 kg/m³ dehors à −7 °C.
2. Q = 2,834 m³/s, soit 10 202 m³/h ou 3,758 kg/s. Réchauffer cet air coûte 88,5 kW. La puissance totale passe à 210,2 kW ; la porte en représente 42,1 %. Ramené au volume, c'est 0,43 vol/h, plus du double de l'infiltration de tout le hall.
3. Ouverte à mi-hauteur (1,5 m), la porte laisse entrer 3 551 m³/h et coûte 29,8 kW : près de trois fois moins qu'à pleine ouverture, comme le veut la loi en h^1,5. En mode rayonnant, l'air plus froid réduit l'échange à 9 758 m³/h et 77,1 kW, mais la porte pèse alors 45,1 % d'une puissance plus faible.
4. Énergie annuelle. Ouverte 2 h par jour ouvré, la porte coûte 3 573 kWh/an. Ouverte pendant toute l'occupation, 10 h par jour, elle coûte 18 303 kWh/an.
5. Un sas de quai qui ceinture le camion et coupe 85 % de l'échange ramène les 2 h à 530 kWh/an. Une porte rapide qui ne reste ouverte que 0,5 h par jour, à 883 kWh/an.

Les remèdes se cumulent. Le sas de quai (abri gonflable ou à rideaux) serre le camion et ferme le jour autour de la caisse. La porte rapide à enroulement monte et descend en quelques secondes et se ferme dès que le chariot est passé. Le rideau d'air souffle une lame verticale qui freine l'échange ; il ne vaut que réglé, avec un débit et une vitesse adaptés à la hauteur de la baie, et il consomme lui-même de la chaleur. Le moins cher reste la consigne : porte fermée quand le quai est vide.

56.7 Infiltrations et étanchéité

Un hall ancien fuit par les jonctions de bardage, les faîtages, les lanterneaux et le pourtour des portes. Le tirage thermique croît avec la hauteur : l'air entre en bas et sort en haut, et la stratification aggrave la perte parce que l'air qui sort est le plus chaud. Dans l'exemple, l'infiltration est le premier poste, 37,1 kW sur 95,8 kW sans gradient. La mesure par pressurisation et les ordres de grandeur sont au chapitre 18 ; dans un hall, on cherche les fuites hautes en premier.

56.8 Apports et ventilation de process

Les machines, l'éclairage et les personnes apportent ici 25 kW en occupation : 15,0 kW de process, 7,2 kW d'éclairage, 2,8 kW de personnes. Le modèle les déduit tant que le hall demande de la chaleur. Dans un atelier de forge ou de fonderie, ils dépassent le chauffage et le problème devient de ventiler.

L'air neuf hygiénique se règle sur le Code du travail (article R4222-6) : 45 m³/h par occupant pour un atelier à travail physique léger, 60 m³/h pour les autres ateliers, soit 900 à 1 200 m³/h pour vingt personnes, peu de chose devant les 4 800 m³/h d'infiltration. Une ventilation de process, captage de fumées ou de vapeurs sur une machine, change l'ordre de grandeur : 6 000 m³/h extraits doivent être compensés, et leur air neuf coûte 46,4 kW au point de calcul et 17,7 MWh par an en occupation. On le préchauffe ou on le récupère. La logique du panache au-dessus d'une source chaude est celle du chapitre 53.

56.9 L'été

Sous une toiture en bac acier, un hall chauffe vite en été. La première ressource est la ventilation naturelle de nuit : ouvrir les portes basses et des exutoires hauts. À 2 vol/h, soit 48 000 m³/h, avec un air de nuit à 16,2 °C (minimale moyenne de juillet du climat du cours) et un hall à 26 °C, on évacue 158 kW. La dalle de béton, sur ses 10 premiers centimètres, stocke 135 kWh par kelvin et rend la fraîcheur le lendemain.

La seconde est le rafraîchissement adiabatique (chapitre 38) : on humidifie l'air extérieur jusqu'à le rapprocher de sa température humide. Par 31 °C et 10 g/kg, la température humide est de 20,0 °C ; un humidificateur d'efficacité 0,8 souffle à 22,1 °C et 13,7 g/kg. Avec 20 000 m³/h, cela vaut 39,1 kW de refroidissement pour un hall à 28 °C, pour 88 kg/h d'eau évaporée. L'effet tombe par temps humide, et l'air humidifié doit être évacué.

56.10 L'énergie annuelle des trois modes

On reprend le climat de Paris du cours (2 167 degrés-jours en base 18 °C) et sa répartition des journées. Le hall est chauffé à 16 °C opératifs en occupation et ralenti à 10 °C d'air le reste du temps. Les degrés-heures valent 8 791 K·h en occupation (base 16 °C) et 10 870 K·h hors occupation (base 10 °C) : la période réduite, plus longue et plus froide, pèse plus que l'occupation. On suppose le réduit atteint aussitôt et l'on néglige la relance du matin : l'inertie de la dalle retarde en réalité la descente, et les valeurs qui suivent sont une borne basse. Les chaudières ou brûleurs ont le même rendement de 0,90 sur le PCS pour les trois modes, et les portes restent ouvertes 2 h par jour ouvré.

1. Exemple 5, comparaison annuelle. Aérothermes seuls : 73,7 MWh de chaleur (23,1 en occupation, 50,6 en réduit, dont 3,6 pour la porte), soit 30,7 kWh/m², et 1 091 kWh d'électricité pour 1,80 kW de ventilateurs.
2. Poids du réduit. Il fait 68,6 % de ce total, d'où une forte sensibilité à sa consigne : réduit à 8 °C, 49,4 MWh ; à 12 °C, 107,0 MWh ; sans réduit, 198,8 MWh. Le gain du rayonnant reste entre 19,7 et 29,9 %.
3. Avec déstratification : 59,1 MWh (24,6 kWh/m²), soit −19,9 % de chaleur, 14,7 MWh de moins ; l'électricité monte à 4 122 kWh, car les déstratificateurs tournent pendant toutes les heures de chauffe.
4. Tubes radiants : 54,6 MWh (22,8 kWh/m²), soit −25,9 %, 19,1 MWh de moins, et 159 kWh pour les extracteurs.
5. En gaz et en euros, au tarif du cours : 81,9 MWh PCS et 7 150 € HT/an pour les aérothermes, 65,6 MWh et 6 278 € pour la déstratification, 60,7 MWh et 5 187 € pour les radiants.
6. Le hall neuf demande 31,2, 24,4 et 22,7 MWh. La porte y pèse 9,3 % de la chaleur des aérothermes : plus l'enveloppe est bonne, plus les portes comptent.

Le classement tient : le rayonnant gagne, la déstratification rattrape l'essentiel pour un hall déjà équipé d'aérothermes. Ces écarts sont des ordres de grandeur, car ils reposent sur les gradients supposés. Le suivi des consommations et la mesure des économies (chapitres 74 et 76) diront ce qu'il en est réellement ; le contrat et la décision d'investir se traitent aux chapitres 75 et 77.

56.11 Erreurs fréquentes

Des aérothermes qui soufflent sous la toiture sans déstratification. L'air chaud reste en haut, le thermostat réclame, et l'exploitant monte la consigne. Les jets doivent atteindre la zone occupée.

Des portes ouvertes en permanence. Dans l'exemple, une porte ouverte toute la journée coûte 18 303 kWh/an, cinq fois le cas de 2 h. Un contact de porte qui coupe les aérothermes voisins et une porte rapide valent mieux qu'un rideau d'air mal réglé.

Une consigne d'air trop haute avec des radiants. Régler l'air à 16 °C sous un chauffage rayonnant revient à perdre le gain du rayonnement. La régulation se fait sur une sonde à globe noir, ou sur une consigne d'air abaissée de l'écart t_r − t_a.

Un thermostat placé en hauteur. À 5 m sur un poteau, il lit 3,9 K de plus qu'à 1,1 m avec 1 K/m et coupe trop tôt ; à l'inverse, près d'une porte, il chauffe pour le quai. On le place à hauteur d'homme, loin des portes, des jets et du soleil.

À retenir

• Dans un hall chauffé par de l'air, la température croît d'environ 1 K par mètre ; la toiture et l'infiltration haute voient l'air le plus chaud.
• Sur le hall d'exemple, la stratification ajoute 27,1 % à la puissance ; par rapport aux aérothermes seuls, la déstratification la réduit de 14,9 %, le rayonnant de 20,7 %, surtout parce que le gradient supposé est plus faible.
• Le rayonnant chauffe les personnes et le sol : à confort égal, l'air peut rester 1 K plus froid, et la mesure se fait au globe noir.
• Une porte de quai ouverte de 3 × 3 m échange environ 10 000 m³/h et pèse alors environ 40 % de la puissance appelée ; sas, porte rapide et consigne d'exploitation la maîtrisent.
• Thermostat à hauteur d'homme, loin des portes ; consigne d'air plus basse sous les radiants.

Sources publiques : EN 12831-1:2017 pour le principe de la correction de hauteur, sans valeur tirée ; EN ISO 13370:2017 pour le sol ; ISO 7726:2025 pour le globe noir et les hauteurs de mesure ; Code du travail, article R4222-6 (Légifrance) pour l'air neuf ; W. G. Brown et K. R. Solvason, « Natural convection through rectangular openings in partitions, 1 : vertical partitions », International Journal of Heat and Mass Transfer 5 (1962) ; P. F. Linden, « The fluid mechanics of natural ventilation », Annual Review of Fluid Mechanics 31 (1999) ; D. Hitchin, « Estimating monthly degree-days », Building Services Engineering Research and Technology 4 (1983), pour la répartition des journées ; normales climatiques de Paris-Montsouris de Météo-France. Gradients, coefficient de décharge, fraction rayonnée et facteur de surface projetée sont des ordres de grandeur de l'usage, dits comme tels. Nombres : le modèle du cours, qui importe le modèle commun du cours.