Lorsque le soleil tape impitoyablement sur les façades en plein été, les intérieurs des bâtiments dont les fenêtres ne sont pas ombragées ou qui sont mal isolés se réchauffent impitoyablement. Si même la fenêtre ouverte n'apporte pas de courant d'air rafraîchissant, la température ambiante commence à devenir désagréable à partir de 26 degrés. Si la température ambiante augmente encore, même les activités peu exigeantes physiquement, comme le travail de bureau, deviennent pénibles. Les ventilateurs et les climatiseurs chauffent. La Suisse transpire.

En Suisse, la consommation d'énergie pour les climatiseurs et les installations de climatisation est désormais de l'ordre du térawatt par an, c'est-à-dire du milliard de kilowattheures. Il n'est pas certain que cela permette d'obtenir le rafraîchissement tant attendu dans une pièce. Agnes Psikuta, chercheuse à l'Empa, a donc entrepris de générer des données fiables sur le climat intérieur au poste de travail. Son objectif : climatiser les bâtiments de manière nettement plus durable - tout en préservant la santé et les performances des personnes. Ses collègues de travail : "ANDI" et "HVAC", des Manikins intelligents qui mesurent le climat ambiant. Grâce à la technologie des capteurs et à la modélisation mathématique, ils reconnaissent comment les postes de travail peuvent être amenés durablement à une température de bien-être.

Transpirer dans un bureau virtuel

Le "HVAC", abréviation de "Heating, Ventilation, Air Conditioning" (chauffage, ventilation, climatisation), à l'allure futuriste, est bien équipé : Les capteurs de température, d'humidité et de mouvement de l'air ne suffisent pas. La coque en plastique du manikin est percée de 46 champs de mesure au total, qui lui permettent de quantifier le rayonnement thermique de l'environnement et de distinguer par exemple la chaleur du soleil de l'air de chauffage.

Son partenaire, sobrement nommé "ANDI", complète de manière optimale les données de "HVAC" : "ANDI" est le type même de l'ensemble, il enregistre le bilan thermique que présente un être humain dans les conditions données", explique Agnes Psikuta du laboratoire "Biomimetic Membranes and Textiles" de l'Empa à Saint-Gall. Pour ce faire, "ANDI" maintient sa température de fonctionnement constante à 34 degrés, ce qui correspond à la température de la peau d'un être humain dans la zone de confort. La zone de confort signifie ici que le corps d'un adulte en bonne santé peut maintenir sa température centrale de 36,5-37,5 à un niveau constant avec un minimum d'efforts. "Dans la zone de confort, l'homme ne transpire pas, ne tremble pas de froid et n'a pas froid aux mains et aux pieds, car il peut facilement maintenir son équilibre thermique", explique la chercheuse.

La modélisation mathématique de ces données combinées donne finalement un modèle thermique virtuel d'une personne sur son lieu de travail. Dans le cadre d'un projet soutenu par le Fonds national suisse (FNS), Agnes Psikuta étudie maintenant, en collaboration avec des instituts partenaires de l'EPFL et de la "Silesian University of Technology" polonaise, comment "HVAC" et "ANDI" s'accommodent des paramètres des conditions réelles de bureau au fil des saisons.

Au final, il devrait être possible d'optimiser les besoins énergétiques des bâtiments sur la base de ces travaux. "En plein été, les climatiseurs tournent à plein régime pour refroidir complètement les bureaux open space, par exemple. Mais on ne sait pas quelle est l'efficacité de cette situation pour chaque poste de travail", explique la chercheuse de l'Empa. Des éléments de construction directement sur le lieu de travail, comme des panneaux muraux rafraîchissants ou des chaises de bureau ventilées, pourraient apporter des solutions plus efficaces et moins gourmandes en énergie. Il pourrait en être de même pour la période de chauffage hivernale : "HVAC" et "ANDI" pourraient déterminer si une température ambiante de 17 degrés est suffisante, par exemple, lorsque le poste de travail est chauffé localement à 22 degrés.

Hypothermie dangereuse

Mais les deux manikins sont également utilisés dans des situations très différentes - et notamment sur la table d'opération. Pendant une intervention chirurgicale de plusieurs heures, il est important que le corps du patient ne se refroidisse pas trop, tandis que la chirurgienne ne doit pas transpirer. Si le patient perd trop de chaleur, le risque de complications augmente et les chances de guérison s'amenuisent. "Jusqu'à présent, les possibilités de maintenir le patient suffisamment au chaud consistent toutefois en des solutions jetables peu durables ou en des structures compliquées et difficiles à désinfecter", explique Agnes Psikuta.

Dans le cadre d'un projet mené en collaboration avec l'Université technique de Varsovie, "HVAC" et "ANDI" déterminent donc comment des lampes infrarouges faciles à désinfecter devraient être positionnées dans la salle d'opération sans entraver les conditions spatiales complexes pendant l'intervention. En outre, le rayonnement thermique ne doit pas chauffer le personnel de santé, ni même provoquer des brûlures cutanées chez le patient. Alors que "HVAC", avec sa matrice dense de capteurs, mesure le flux de chaleur de la lampe vers le corps, "ANDI" calcule le bilan thermique global d'un patient, y compris la température ambiante actuelle. "Les données modélisées doivent permettre de déterminer la position et la puissance des lampes chauffantes pour les situations les plus diverses", explique la chercheuse de l'Empa. "Nous espérons ainsi pouvoir créer des conditions d'opération idéales sans risque d'hypothermie".

Le bureau idéal
La zone de confort climatique sur le lieu de travail peut varier d'une personne à l'autre. Pour les études expérimentales, les chercheurs de l'Empa partent d'une température de 22 degrés à 50% d'humidité pour les bureaux.

Les prescriptions légales indiquent une fourchette de 20,5 à 26,5 degrés pour les bureaux, en fonction de la température extérieure.

Grâce aux manikins : vêtements et protection high-tech pour les pompiers
ls s'appellent "SAM", "Henry" ou "HVAC" : des "manikins" qui enregistrent leur environnement à l'aide de capteurs et mettent leur vie intérieure faite de câbles et d'interfaces au service de la science. Les Manikins intelligents, comme le modèle à capteurs "Henry", traversent le feu pour nous lorsqu'ils aident à optimiser de nouveaux équipements de protection pour les pompiers. Le Manikin "SAM" ("Sweating Agile thermal Manikin") peut quant à lui pratiquer des activités sportives telles que l'alpinisme et simuler la transpiration d'un être humain grâce à 125 buses d'eau. Avec l'aide de "SAM", les chercheurs de l'Empa et leurs partenaires industriels ont déjà développé des textiles respirants avec le fabricant de vêtements de sport KJUS à Risch-Rotkreuz (ZG) ou la start-up suisse de pyjamas Dagsmejan.

Manikins - La technologie des capteurs pour un bureau bien tempéré: "HVAC" se met à transpirer