Ventilation : ayez l'air naturel

Technique
Le renouvellement de l'air
Calcul du débit d'air
Principes
Applications
  Le renouvellement de l'air

Les cheminées de ventilation du Parlement anglais à Londres
Source : Tareb

Tours à vent iraniennes permettant le refroidissement de l'air
Source : Hervé Richard et Shiva Tolouie

Donner à l'air entrant les caractéristiques climatiques souhaitées (température et humidité) demande une quantité d'énergie importante.
Une aération trop forte entraîne une consommation d'énergie exagérée, un mauvais confort thermique et la sensation de courants d'air. La ventilation doit donc trouver le bon équilibre entre renouvellement de l'air et déperditions thermiques par aération.

Elle doit également assurer la sécurité incendie en limitant la transmission des fumées, éviter le passage des polluants d'un espace à l'autre en étant vigilant sur le positionnement des bouches de prises et d'extraction d'air, et ne pas être à l'origine de nuisances sonores.

En France, la réglementation se fonde sur les principes suivants : l'aération doit pouvoir être générale et permanente, et la circulation de l'air doit se faire par des entrées d'air dans les pièces principales et des sorties dans les pièces de services.7 En ventilation naturelle, sans dispositif de réglage et dans les locaux à usage de logement, les pièces doivent être ventilées au minimum par les débits suivants (en m3/heure) 8 :


Nombre de pièces
de l'habitation

Cuisine Salle de bains WC
1 75 15 15
2 90 15 15
3 105 30 15
4 120 30 30
5 135 30 30


La réglementation en matière d'hygiène et de santé fixe également des débits minimums d'air neuf pour les locaux scolaires : 18 m3/h/élève dans les collèges et lycées, 15 m3/h/élèves dans les écoles maternelles et primaires.9
Le code du travail précise lui aussi des valeurs minimales de renouvellement d'air dans les locaux de travail, comprises entre 25 m3/h et 60 m3/h, en fonction de l'activité exercée.10

Cependant, certains spécialistes recommandent un débit de 10 l par personne et par seconde, soit un renouvellement de 36 m3/h/pers, pour réduire les odeurs à un niveau imperceptible à la majorité des personnes pénétrant dans la pièce et pour évacuer la vapeur d'eau. La respiration et les activités d'une famille de quatre personnes produisent en effet 10 à 20 litres de vapeur d'eau par jour.


  Calcul du débit d'air


La liste des polluants intérieurs des bâtiments est longue : vapeur d'eau, moisissures, produits de combustion (oxyde d'azote, monoxyde de carbone...), fumée de cigarette, déjections d'acariens, pesticides et fongicides, composés volatiles organiques...

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Source:
Santé et qualité environnementale de l'environnement intérieur des bâtiments

Pour être plus précis, on peut calculer le débit d'air pur nécessaire pour maintenir la concentration d'un polluant donné en dessous d'une certaine limite. La relation est la suivante :

La concentration limite nette s'obtient en soustrayant de la concentration maximale de polluant que l'on veut avoir à l'intérieur la concentration du même polluant dans l'air entrant.

Par exemple, une personne en activité de bureau produit 18 litres de gaz carbonique par heure. Pour maintenir une concentration de CO2 inférieure à 1400 ppm, sachant que la concentration extérieure est de 400 ppm (parties par millions), il faut un débit d'air de :

Comme plusieurs polluants sont émis simultanément, le débit requis est celui nécessaire pour éliminer le polluant le plus exigeant (en non la somme de tous).11


Polluants Odeurs CO2 Vapeur d'eau Chaleur
Intensité de la source 1 olf 18 l/h 72 g/h 120 W
Concentration limite acceptable 0,3 pol 1400 ppm 7 g/kg 22 °C
Concentration extérieure 0,1 pol 400 ppm 4 g/kg 0 °C

Débit d'air (m3/h) conseillé

18 m3/h 18 m3/h 20 m3/h 16 m3/h

Quelques polluants émis par une personne en activité au bureau 12

(
L'olf et le pol sont des unités définies par le professeur O. Fanger pour quantifier les odeurs désagréables. L'olf (comme olfactif), correspond à l'intensité de la source d'odeur représentée par une personne moyenne qui se lave et change de linge chaque jour. Le pol (comme pollution) est la concentration obtenue lorsque les odeurs émises par un personne sont diluées dans un débit d'un litre par seconde d'air pur.)

Source : Santé et qualité environnementale de l'environnement intérieur des bâtiments

Ventilation en mode "piston"

Ventilation en mode "mélange"

Mode de ventilation en piston

Source : Santé et qualité environnementale de l'environnement intérieur des bâtiments

La situation de l'arrivée de l'air neuf est également importante. Il ne faut pas qu'il soit pollué avant de parvenir au nez des occupants. Pour quantifier cette idée, on définit l'âge de l'air en un endroit, c'est le temps qu'il a fallu en moyenne à une molécule d'air pour arriver à cet endroit, depuis son entrée dans le bâtiment. Les différents modes de ventilation n'ont pas la même efficacité.

Ainsi, le mode de ventilation en piston, qui correspond à un déplacement de l'air vicié par l'air frais, est le plus efficace en terme de rendement. De l'air un peu plus frais que l'air ambiant est amené dans la pièce par des bouches en partie basse et à vitesse réduite. L'air frais se répartit sur le plancher sur toute la surface de la pièce. L'air, du fait de la chaleur dégagée par les occupants et les autres sources de chaleur, est entraîné vers le haut évacuant ainsi la chaleur et les polluants. Si le plafond est assez haut, l'air frais arrive à hauteur du visage des occupants. Ce système peut cependant être à l'origine de plaintes pour une trop grande différence de température entre les pieds et la tête.

La ventilation en mode "mélange" permet quant à elle une homogénéité parfaite dans la pièce. Pour y parvenir, l’air est soufflé à une vitesse relativement élevée (4 à 6 m/s) par des grilles ou des diffuseurs, ce qui permet sa diffusion dans l’ensemble du volume de la pièce.

Le système est moins efficace lorsqu’il se produit un court-circuit, c’est-à-dire lorsque la ventilation laisse des zones mortes. Ce phénomène peut se produire lorsque les bouches d’entrée et de sortie d’air sont trop proches l’une de l’autre.

De plus, pour procurer en été une sensation de rafraîchissement agréable, la vitesse de l'air de soit situer entre 0,2 et 0,8 m par seconde.


  Principes

Effets du vent

Effet de cheminée

Source : Santé et qualité environnementale de l'environnement intérieur des bâtiments

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Source : Tareb

Solihull en Grande-Betagne par Arup Association
Les sheds fournissent lumière et ventilation aux bureaux
Source : Architecture intérieure 305

Deux types de force peuvent participer à une ventilation naturelle :

Le vent

Il augmente la pression sur la façade exposée tout en abaissant la pression sur les autres façades et sur le toit.Ces différences de pression sont proportionnelles au carré de la vitesse du vent, et le coefficient de proportionnalité dépend de la température, de l'altitude, de la forme du bâtiment et des obstacles qui entourent le bâtiment.

Le tirage

La densité de l'air dépend de sa température et de sa composition (notamment en humidité). L'air intérieur a en général une température et une humidité différentes de l'air extérieur. La différence entre les densités d'air à l'intérieur et à l'extérieur crée un tirage (effet de cheminée), qui fait monter l'air chaud et humide et descendre l'air froid et sec. En hiver, ou la nuit en été, l'intérieur est plus chaud que l'extérieur. L'air entre donc dans le volume par le bas et ressort par le haut.

Ces forces engendrent donc des différences de pression entre les volumes du bâtiment, donc des débits au travers des ouvertures, des canalisations et des fuites. La pression dans le bâtiment ne varie que de quelques Pascals (quelques Newtons par m2). Ces faibles différences de pression suffisent à mettre en mouvement les masses d'air. Cependant, le bâtiment ne peut "ni se gonfler, ni se dégonfler". Toute masse d'air qui entre dans le bâtiment doit être compensée par une masse d'air égale qui en sort, et vice versa. Un ventilateur d'extraction est ainsi inutile si le local ne dispose d'aucune entrée d'air.12

Ces deux forces motrices peuvent être utilisées de façon couplée, mais, en règle général, l'une ou l'autre est privilégiée. Leur choix dépend surtout du type de bâtiment, de sa compacité, mais aussi des conditions locales de climat, de vent, et du site d'implantation du bâtiment. Dans le cas d’un bâtiment à simple exposition ou d’un bâtiment compact et de forte épaisseur, l’effet dominant choisi sera le tirage thermique. Au contraire, dans un édifice de faible épaisseur, les pressions du vent seront utilisées pour ventiler de manière traversante.

Les deux systèmes peuvent être combinés pour répondre à des objectifs différents selon les saisons. L’effet de tirage thermique permettra d’assurer le renouvellement de l’air en hiver alors qu’en été une ventilation traversante sera privilégiée pour rafraîchir les locaux.

Ventilation simple ou assistée

La ventilation naturelle peut être simple ou assistée. Dans le premier cas, la ventilation fonctionne grâce aux courants d'air crées naturellement. Dans le second, des ventilateurs et extracteurs peuvent augmenter les effets des forces naturelles de manière ponctuelle, en fonction des besoins. De même, le flux d'air peut être contrôlé par des dispositifs mécaniques permettent la modulation du débit d'air à partir de données recueillies par des capteurs.

  Applications

Surplomb du toit

Surplomb au dessus des ouvertures

Fentes au niveau du surpomb

Fentes au niveau du surpomb

Source : Guide technique et pratique de la construction

Effet de la partition intérieure et de la position des ouvertures
Source : The skyscraper bioclimatically considered

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Source:
Le confort dans l'habitat tropical

Dispositifs intégrés de ventilation
Source : Santé et qualité environnementale de l'environnement intérieur des bâtiments

Ventilation par les grilles et fenêtres

Les fenêtres sont le premier outil de la ventilation naturelle. Elles sont adaptées pour créer de grands débits d'air, pour évacuer les polluants générés par une activité temporaire (cuisine, bricolage...) et pour le refroidissement passif. Cependant, elles ne conviennent pas pour délivrer de faibles débits d'air continus et contrôlés. De plus, les occupants des logements ne sont pas présents lors de la journée, laissant les fenêtres en position soit ouverte, soit fermée, ce qui provoque soit un gaspillage d'énergie, soit une ventilation insuffisante.

L'efficacité de la ventilation par les baies dépend de la configuration des pièces et des ouvertures. Les capacités de ventilation et d'étanchéité varient selon les types de fenêtres. De plus les entrées d'air élevées dirigent le flux d'air vers le haut et diminuent donc son potentiel de refroidissement.

Pour maximiser le flux d'air, les sorties doivent être au moins aussi grandes que les entrées. La position d'une sortie influe peu sur la configuration du flux d'air mais elle doit permettre à l'air chaud ascendant de s'échapper.

Différentes techniques permettent d'augmenter l'efficacité de la ventilation. Les surplombs du toit augmentent le flux d'air entrant. Les surplombs au-dessus des ouvertures dirigent le flux d'air vers le haut, ce qui atténue son potentiel de refroidissement. Des fentes dans les surplombs régularisent la pression intérieure. Les persiennes quant à elles, facilitent la réorientation et la diffusion du flux d'air.

La partition intérieure des locaux joue aussi un rôle et peut être à l'origine de zones "mortes" (non ventilées).

Suivant le type de bâtiment, la ventilation par les baies peut être à simple exposition ou traversante.

Lorsque les ouvertures sont placées sur une seule façade, l'effet dominant est le tirage thermique. Si la température intérieure est supérieure à celle de l'extérieur, l'effet de tirage thermique entraîne l'air extérieur plus froid (et donc plus lourd) dans les parties basses des ouvrants, alors que l'air intérieur plus chaud (et donc plus léger) va sortir en partie supérieure des ouvrants. Si la différence de température entre ambiance intérieure et extérieure est faible, le débit de renouvellement d'air demeure faible à moins d'avoir une très grande surface d'ouvrants.

Lorsque les baies sont placées sur des façades opposées, la ventilation peut être plus efficace, car traversante. L'effet du vent sur le bâtiment se traduit alors par des pressions positives sur les façades au vent et des dépressions sur les façades sous le vent, créant ainsi un écart de pression significatif à travers l'ensemble du bâtiment. Ce phénomène crée un débit d'air traversant. L'air entre par une façade, traverse l'ensemble du bâtiment et ressort par la façade opposée. La vitesse de l'air sera plus élevée si les orifices de sortie ont une surface totale supérieure à une fois et demi les orifices d'entrée Pour favoriser cette stratégie, il faut prévoir de larges communications entre les espaces intérieurs. Cette technique est réservée à des bâtiments de faible épaisseur totale ( 10 à 12 mètres). Elle est appropriée aux maisons individuelles ou aux petits immeubles tertiaires ou d'habitation. Elle est cependant très dépendante des ressources locales en vent et est surtout adaptée aux zones qui connaissent un vent régulier, telles que les zones tropicales bénéficiant des alizés.13

La variété directionnelle de l'air peut conduire à l'installation de dispositifs spécifiques : systèmes de captage du vent, ou conception qui rend le comportement global du bâtiment indépendant du vent (doubles façades par exemple).

Différents dispositifs de ventilation peuvent également compléter les fenêtres ( vantelles, lamelles en allège, grille réglable, ventilateur). Ils assurent, si ils sont correctement utilisées, un débit réduit au strict nécessaire pour assurer une qualité d'air correcte en hiver. Les grilles de ventilation, intégrées dans les portes et fenêtres peuvent adapter le débit en fonction des besoins en ventilation. Elles peuvent être réglables manuellement, autoréglables (c'est-à-dire que la quantité d'air frais qui rentre est constante, indépendamment de la vitesse du vent), hydroréglables (la quantité d'air frais augmente avec l'humidité des pièces) et acoustiques (pour limiter l'entrée du bruit extérieur). Ces systèmes sont efficaces s'ils sont maintenus propres et en bon état.


Système de ventilation naturelle de Saint Annes School Jersey
Source : Tareb

Exemple de débouchés en toiture
Source : www.sunpipe.co.uk

Exemple d'extracteur statique
Source : Fraîcheur sans clim, Le guide des alternatives écologiques

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Source:
www.astato.com

Exemples d'aérateurs, IVEG Building
Source : CSTB

Ventilation par conduits et cheminées

Les systèmes de ventilation naturelle utilisant des conduits permettent de surmonter la plupart des problèmes liés à la simple exposition ou à améliorer les stratégies de ventilation traversante.

La poussée due au tirage thermique dépend essentiellement de la hauteur du bâtiment et de l'écart entre les masses volumiques de l'air intérieur et extérieur (généralement dû à la température). Durant les périodes chaudes, comme les températures intérieures sont proches des températures extérieures, la poussée thermique est faible, sauf pour les immeubles de grande hauteur grâce à l'effet dynamique du vent. Ainsi, pour un immeuble de 3 étages de haut, il faut avoir un écart de 23° pour obtenir un écart de pression de 10 Pa, alors que pour un immeuble de 8 étages, il suffira de 10 °C. Pendant les périodes froides, les écarts de température sont suffisants et la ventilation par tirage thermique peut assurer le renouvellement d'air nécessaire. En période chaude, il vaut mieux utiliser les effets dynamiques du vent et combiner les deux phénomènes.

La solution des conduits d'aération a été utilisée pour les bâtiments d'habitation du XXè siècle jusque vers les années 70. Chaque cuisine et chaque salle d'eau était équipée d'un conduit vertical allant jusqu'au toit, ou étaient reliées à un conduit principal débouchant en toiture pour réduire l'emprise du système (système shunt). Dans les deux cas, ce sont les différences de pression dues au vent et aux écarts de température qui font fonctionner cette ventilation.
Si les ouvertures sont placées de manière favorable, l'effet du vent s'ajoute au tirage, la ventilation est donc renforcée. Dans certains cas, le vent contrarie le tirage, la ventilation est réduite voire réduite à zéro. Dépendante des conditions météorologiques, cette ventilation a pour principal défaut d'être irrégulière.

Effets combinés du vent et du tirage thermique
Source : Santé et qualité environnementale de l'environnement intérieur des bâtiments

Le fonctionnement peut être amélioré en équipant le conduit d'un extracteur statique qui renforce le tirage naturel, ou d'un extracteur stato-mécanique, conçu comme le précédent mais équipé d'un dispositif mécanique d'assistance au tirage. Ce dispositif se déclenche automatiquement lorsque l'effet statique devient insuffisant. Il peut fonctionner par induction. Le système consiste alors à injecter en partie haute du conduit d'extraction et vers son débouché un jet d'air à haute vitesse. Par friction avec l'air vicié présent dans le conduit, un mouvement d'air est créé, ascendant et de faible vitesse (2 m/s).La dépression engendrée permet de pallier les déficiences du tirage naturel en demi saison et d'extraire les débits de pointe en cuisine.14

On peut également avoir recours à des accélérateurs de toitures, dispositifs qui se posent au sommet des souches des conduits d'aération et qui accentuent les mouvements d'air. Les aérateurs statiques sont composés d'un débouché de souche et d'un chapeau. Les aérateurs dynamiques sont des débouchés de souche faits d'ailettes obliques qui tournent avec le vent.

Dans les habitations collectives, trois types de pose sont envisageables. Le conduit unique est déconseillé car il transmet d'un étage à l'autre les bruits, odeurs, polluants voire même le feu. Les conduits individuels sont nettement plus coûteux et occupent plus de place. Les conduits shunt représentent un compromis. Dans tous les cas, ces conduits doivent avoir une grande section.

Exemples d'intégration de conduits de ventilation naturelle
Source : Tareb

Des dispositifs à plusieurs conduits sur le modèle des tours à vent iraniennes utilisent des dispositifs de captation du vent et des équilibrages de pression. L'air entre dans un conduit froid (aux conditions extérieures) puis est extrait par un conduit dit chaud (aux conditions proches de l'intérieur). De nombreux fabricants proposent aujourd'hui des systèmes d'extraction adaptés à ce genre de stratégie.


Dimensions caratéristiques d'une cheminée
Source : www.outilssolaires.com

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Source:
www.outilssolaires.com

Influence de la présence d'une cheminée sur le plan de pression neutre
Source : IRC Canada

Calcul de débit

Des méthodes de calcul permettent d'évaluer le débit crée par l'effet du tirage thermique.

Soit pour une pièce :
-A : la superficie de l'ouverture de la pièce
-S : la surface des orifices d'entrée
-B : la superficie d'ouverture de la cheminée de ventilation
-t' : la température moyenne à l'intérieur
-t : la température de l'air extérieur
-h : la hauteur en mètre entre la partie haute de la cheminée et l'ouverture A

Si t' est supérieur à t, il se produit un courant d'air de A vers B
Ce débit d'air D traversant la construction est donné par la formule :

avec c coefficient dépendant du rapport des surfaces des orifices de sortie et d'entrée : 15

surface orifices de sortie/
surface orifices d'entrée
c
0,25 0,34
0,50 0,63
1,00 1,00
2,00 1,26


Pour augmenter l'efficacité du système, on peut utiliser l'énergie solaire pour augmenter les écarts de température, donc le tirage thermique.
Ce principe peut être utilisé sous la forme de double façade, de mur Trombe, de cheminée solaire ou de toit solaire.

Avec un système de ventilation basé sur le tirage thermique, il est nécessaire de prendre en compte le plan de pression neutre (PPN). Il correspond à la hauteur à laquelle la pression est la même à l'intérieur comme à l'extérieur du bâtiment, lorsqu'il n'y a pas ou à peu près pas de vent. Au-dessous de ce plan de pression neutre, l'écart de pression fait pénétrer l'air dans le bâtiment, au dessus, il l'expulse au dehors. Doter un bâtiment d'une cheminée relève le PPN. Dans certains cas, les derniers étages peuvent ainsi se situer au-dessus de cette ligne de démarcation et récupérer l'air extrait des pièces situées à un niveau inférieur.


Cheminée solaire de l'Ecole Tanga à Falkenberg (Suède)
Source : Tareb

Rafraîchissement ou chauffage passif
et ventilation

L'air entrant peut être rafraîchi ou réchauffé par différentes techniques. Le système des puits canadiens (voir notre dossier sur le sujet) consiste en un réseau de tubes enterrés, dans lesquels on fait passer l'air nécessaire à la ventilation. L'air est ainsi réchauffé en hiver, refroidit en été grâce à la température du sous-sol.

Un système évaporatif peut également compléter le dispositif de conduits. Traditionnellement, dans les pays « chauds » le rafraîchissement est réalisé par des jarres poreuses, une fontaine ou un bassin placés dans l'entrée d'air. Dans les projets actuels, un système de vaporisation d'eau en haut du conduit froid accentue l'effet du tirage thermique. En effet l'évaporation se produit lorsque l'on fait chauffer de l'eau, mais aussi lorsque l'eau est froide. Le passage de l'eau liquide à l'état gazeux exige de l'énergie. Lorsque l'eau s'évapore sans apport de chaleur, elle prend l'énergie nécessaire dans l'air environnant qui se refroidit. Cette propriété peut-être utilisée pour rafraîchir l'air.

Une solution hybride peut également être adoptée en adjoignant un ventilateur. Dans de nombreux cas, la solution retenue combine plusieurs solutions élémentaires.
Le plancher peut de même être utilisé pour distribuer l'air et réguler la température d'un bâtiment, en se servant de l'effet d'inertie donné par la structure du bâtiment.

Les façades double-peau ou des vérandas peuvent être intégrées dans les stratégies de ventilation du bâtiment, car elles permettent de préconditionner l'air de ventilation. La ventilation naturelle peut alors être réalisée en introduisant l'air extérieur à travers ces espaces tampons vers le bâtiment. Pour les édifices de grande hauteur, le tirage thermique naturel est alors très efficace. Ces doubles façades peuvent également être associées à des systèmes solaires ou à des systèmes à double conduit.