Repenser le confort thermique pour les enfants

Lors de la conception de salles de classe ou de maisons, le confort est généralement mesuré en fonction de la température de l’air, de l'humidité et de la circulation d'air. Pourtant, l'un des éléments les plus influents sur le confort thermique humain, à savoir l'échange de chaleur par rayonnement, passe souvent inaperçu et, plus important encore, est modélisé comme si tout le monde avait la même taille.

Notre corps échange de la chaleur avec les surfaces environnantes par rayonnement de grandes longueurs d’onde. Ce processus est régi par des relations géométriques appelées « facteurs de vue », qui décrivent la surface de chaque mur, sol ou plafond que le corps d'une personne « voit ». Les facteurs de vue déterminent la quantité de chaleur rayonnante que le corps d'une personne recevra de chaque surface.

La plupart des données servant à calculer les facteurs de vue proviennent d'études menées dans les années 1970 auprès d'étudiants universitaires. Les mesures obtenues ont été intégrées à des normes comme l'ASHRAE 55 et ISO 7726, formant ainsi la base sur laquelle les ingénieurs prédisent l'effet du rayonnement des surfaces intérieures au moyen de la température radiante moyenne (MRT), une variable clé dans les modèles de confort thermique.

Mais les enfants ne sont pas simplement des adultes miniatures. Leur petite taille, leurs proportions plus rondes et leur rapport tête/corps plus élevé modifient leur interaction radiative avec l'espace environnant. Jusqu'à présent, aucune étude n'avait quantifié l'importance de ces différences.

Modéliser le problème

Pour combler cette lacune, les chercheurs de l'ÉTS Nour Youssef et Katherine D'Avignon ont utilisé des modèles numériques détaillés d'un homme adulte typique et d'un enfant de 5 ans. Ces mannequins ont ensuite été placés dans une pièce simulée et analysés à l'aide d'outils informatiques qui ont tracé des « rayons » virtuels entre le corps de chaque mannequin et les surfaces environnantes. Ce processus a permis de calculer les facteurs de surface projetée et les facteurs de vue pour les mannequins adulte et enfant dans des conditions identiques.

En termes simples, les chercheurs ont mesuré la partie de chaque surface (sol, plafond et murs) que le corps humain peut « voir » et comment ces vues changent en fonction de la taille et de la morphologie.

Différences marquées

L'analyse a révélé des différences notables entre les modèles adulte et enfant. En fonction de l'angle de la surface concernée, les facteurs de rayonnement de l'enfant, appelés facteurs de surface projetée, différaient de 22 % de ceux de l'adulte. Il s'agit d'une variation beaucoup plus importante que celle observée dans les études précédentes entre des adultes de tailles ou de nationalités différentes.

Pour comprendre concrètement l’effet de ces différences, l'équipe a simulé deux scénarios de test :

Un scénario dans lequel les mannequins enfant et adulte se trouvaient dans une pièce équipée d'un système de plancher chauffant à 26 °C, et un scénario dans une pièce équipée d'un plafond rafraîchissant à 17 °C.

Dans le premier scénario, la température radiante moyenne ressentie par l'enfant de 5 ans s'est avérée supérieure d'environ 1 °C à celle ressentie par l'adulte. Dans le second scénario, elle était supérieure de 0,6 °C. Ces différences peuvent sembler modestes, mais dans les modèles de confort thermique utilisés aujourd'hui, comme le vote moyen prévisible (PMV) de Fanger, même un écart de 0,5 °C dans la température radiante moyenne peut modifier considérablement la perception de confort, par exemple en passant d'un ressenti « neutre » à « légèrement chaud ».

Pourquoi l'enfant a plus chaud

Ces résultats sont intuitivement logiques lorsqu'on les examine d'un point de vue géométrique. Le centre de gravité d'un enfant est plus bas, plus proche du sol, et son corps est plus compact. Dans une salle de classe équipée d'un plancher chauffant, le corps de l'enfant « voit » davantage la surface chaude par rapport à son environnement global, ce qui augmente la chaleur rayonnante qu'il reçoit.

À l'inverse, avec un plafond refroidissant, une plus petite partie du corps de l'enfant est exposée au plafond plus frais, mais la surface plus importante de sa tête et du haut du corps amplifie cet effet. Dans les deux cas, la différence dans l’équilibre radiatif suffit à modifier le niveau de confort perçu.

Répercussions sur la conception des bâtiments

Cette recherche met en évidence une limite importante des normes de confort actuelles : elles s'appuient sur les mêmes données pour toutes les populations. Dans les espaces fréquentés principalement par des enfants (écoles, garderies, hôpitaux pédiatriques), cette hypothèse peut entraîner des biais systématiques dans les prévisions de confort thermique.

Concrètement, cela signifie qu'une salle de classe conçue pour être « thermiquement neutre » pour les adultes peut sembler trop chaude pour les enfants. Cette constatation correspond aux observations précédentes sur le terrain, qui montrent que les enfants déclarent souvent avoir plus chaud que ne le prévoient les modèles de confort actuels.

L'intégration de données spécifiques aux enfants en matière de rayonnement pourrait améliorer à la fois la précision des évaluations du confort et, par conséquent, l'efficacité énergétique des systèmes de chauffage, ventilation et conditionnement de l’air. Sachant que les enfants sont exposés à une température radiante moyenne légèrement plus élevée avec un plancher chauffant pourrait justifier, par exemple, d'abaisser la température du plancher d'un degré. Loin de compromettre le confort, cette mesure d'efficacité énergétique améliorerait en fait le confort de la majorité des occupants.

Vers des modèles de confort plus inclusifs

L'étude de Youssef et D'Avignon constitue la première quantification détaillée des facteurs de vue spécifiques aux enfants et de leur influence sur le confort thermique. Elle fournit des données fondamentales pour le développement de nouveaux modèles de confort qui tiennent compte des différences morphologiques entre les groupes d'âge.

Des études supplémentaires sont nécessaires pour déterminer l’âge où les schémas de transfert radiatif des enfants commencent à ressembler à ceux des adultes et comment d'autres postures (assis ou jouant par terre) peuvent modifier les résultats.

D’un point de vue général, cette recherche nous rappelle que le confort thermique n'est pas universel. Tout comme les concepteurs de bâtiments tiennent compte de l'accessibilité et de l'ergonomie, les environnements thermiques pourraient également devoir être adaptés à la diversité de leurs occupants.

Une pièce qui semble « parfaite » pour les adultes peut ne pas l'être pour les plus jeunes utilisateurs. Nous disposons désormais de données qui expliquent pourquoi.