Prototype – Cheminée de ventilation naturelle
Projet d'un bâtiment ventilé par des cheminées de ventilation naturelle
EOLIOS Ingénierie a été contactée par un cabinet d’architecte pour étudier la ventilation naturelle d’un futur bâtiment. Il s’agit de locaux de bureaux qui doivent être ventilés grâce à des cheminées à vent. Dans ce type de ventilation naturelle, ce n’est pas l’effet de tirage thermique qui prime mais l’action du vent.
Dans cette étude, EOLIOS a étudié plusieurs types de cheminées et déterminé celle qui propose le meilleur débit d’air.
Prototype - Cheminée de ventilation naturelle
Année
2024
Client
Localisation
Rennes
Typologie
Génie climatique
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Simulation numérique de la ventilation naturelle par cheminée à vent
Présentation générale du projet
Eolios a mené une étude approfondie sur un futur projet d’architecture qui intègre deux composantes principales : une section dédiée aux logements et une autre aux locaux d’entreprise. Notre attention se porte spécifiquement sur cette seconde partie, car ce sont les locaux d’entreprise qui bénéficieront d’un système de ventilation naturelle.
Etude climatique
Pour réaliser cette étude de ventilation naturelle, nous effectuons d’abord une analyse climatique du futur site afin de mener des simulations aussi réalistes que possible. Pour ce projet, l’analyse climatique a révélé que le vent souffle principalement depuis le Sud-Ouest. Un second vent dominant provient du Nord-Est. Après avoir identifié ces vents dominants, nous mesurons leur intensité, c’est-à-dire la vitesse moyenne du vent dans ces directions, ainsi que les vitesses minimales et maximales pour étudier les cas extrêmes.
Une étude des températures en fonction des saisons a également été réalisée mais n’est pas présentée dans cette section. Dans la suite de cet article, nous allons exposer des résultats pour un vent Sud-Ouest à la vitesse de 6m/s, qui d’après cette étude climatique, est le vent le plus fréquent.
Modèle 3D
Pour étudier la ventilation naturelle d’un bâtiment, il est crucial de prendre en compte les bâtiments voisins qui jouent le rôle de masques aérauliques. Ces structures environnantes peuvent avoir un impact significatif sur le flux d’airautour et à travers le bâtiment étudié. La présence de bâtiments voisins peut créer des zones de pression variée et des turbulences qui influencent la direction et la vitesse du vent. Par conséquent, la modélisation précise de ces bâtiments voisins est essentielle pour une évaluation réaliste de la ventilation naturelle.
La modélisation des bâtiments voisins permet de simuler les effets des obstacles sur les courants d’air. Cela inclut la détermination des zones d’ombre du vent, où le flux d’air est réduit ou perturbé, et des canaux de vent, où le flux est accéléré. Ces phénomènes peuvent affecter la qualité de l’air intérieur, le confort thermique et l’efficacité énergétique du bâtiment étudié. Une bonne modélisation aide à identifier les meilleures positions pour les ouvertures de ventilation, comme les fenêtres et les évents, afin d’optimiser l’apport d’air frais et l’évacuation de l’air vicié.
Dimensionnement
Il est essentiel de dimensionner correctement les conduits de ventilation pour assurer une ventilation efficace. Eolios apporte son expertise dans le dimensionnement et l’amélioration des systèmes de ventilation naturelle. Par la suite, la simulation CFD permet de vérifier ce dimensionnement. L’avantage de la CFD réside dans la possibilité de tester plusieurs systèmes et configurations. En effet, il est plus simple de modifier les systèmes de ventilation en phase de simulation que lorsque ceux-ci sont déjà installés.
Essaie de plusieurs cheminées en CFD
Des études ont été réalisées sur plusieurs cheminées :
- Une avec un conduit rectangulaire de 4m de hauteur et un capot plat
- Deux avec un conduit cylindrique de 4m de hauteur : l’une avec un capot demi-sphérique fixe et l’autre rotatif
- Et une de façade de 4m de hauteur avec 2 orientations
L’objectif de l’étude est de déterminer la forme la plus pertinente pour le projet en comparant les débits extraits par les cheminées selon les différentes configurations. Les surfaces de captation et la taille des conduits sont équivalentes pour chaque étude afin de comparer uniquement l’efficacité de tirage naturel.
Vitesses d'air sur les 4 différentes configurations de cheminées
Les études montrent que la cheminée avec le capot rotatif est celle qui crée le plus de tirage. Le débit de sortie est environ deux fois supérieur aux cheminées de type capot fixe, indépendamment de la provenance du vent ou des perturbations des bâtiments alentours. Par ailleurs, le capot s’oriente de manière à être dans les conditions optimalesce qui assure un meilleur tirage.
Les cheminées en façade peuvent-être une solution intéressante malgré des contraintes. Elle est extrêmement dépendante de l’orientation du vent, selon la direction de vent est l’orientation de la cheminée, elle peut soit fonctionner en entrée ou en sortie d’air ce qui peut être un avantage comme un inconvénient.
Dans le cadre de cette étude, dans le but d’obtenir le meilleur tirage possible, la cheminée avec capot rotatif est à privilégier.
Simulations et résultats
Cette section présente les résultats de simulation CFD avec les conduits individuels et les cheminées cylindriques mobiles. En effet, comme les premières simulations le montrent, ce type de cheminée est la plus efficace.
Les résultats de simulation présentés ci-dessous sont ceux d’un vent du Sud-Ouest de l’ordre de 6 m/s. Il s’agit du vent dominant dans la région du projet. Il faut noter que d’autres orientations et vitesses de vent sont testées mais ne sont pas présentées dans cet article.
Les surfaces rouges indiquent quelles sont les cheminées les plus impactées par le vent venant du Sud-Ouest. Celles pour lesquelles on n’observe pas ces taches rouges sont moins impactées par ce vent du fait de la présence d’autres cheminées en amont.
Toujours dans le but de comparer les cheminées fixes et mobiles, deux études ont été réalisées pour chacun des cas et sont présentés ci-dessous.
Répartition de la vitesse dans les conduits individuels des cheminées mobiles - Etude de prédimensionnement
À première vue, les vitesses dans les conduits des cheminées mobiles sont plus élevées que dans les conduits des cheminées fixes. De plus, on peut noter la différence entre les conduits des cheminées fixes. En effet, dans le cas des cheminées fixes, la cheminée avec le conduit le plus long (1er étage) présente un débit de 0,7 Vol/h, donc bien en dessous des 5 Vol/h attendus. Seul le conduit le plus court (5e étage) atteint quasiment cet objectif de 5 Vol/h, et ce débit est croissant quand on monte dans les étages.
Le tableau ci-dessous est un récapitulatif des débits par étage et par type de cheminées :
Ce tableau montre que la ventilation par cheminées fixes fonctionne en moyenne 2 fois moins bien que la ventilation par cheminée mobile. Il est également important de noter et de rappeler que dans le cas de la cheminée fixe, le premier étage n’est quasiment pas ventilé.
Dans cette étude, les ouvertures en façades étudiées sont en position haute et ouvertes une fois toutes les deux trames, comme on peut le voir sur la figure ci-dessous.
On remarque que les séries de cheminées directement exposées au vent (entourées en rouge sur la figure ci-dessus) présentent des débits bien supérieurs à la moyenne des autres cheminées. Pour ces cheminées, l’objectif de 5 Vol/h est donc bien atteint dans le cas mobile, toujours pas dans le cas fixe.
Nous pouvons noter avec ces premiers résultats que la ventilation naturelle fonctionne correctement dans le cas de la cheminée avec la coiffe mobile. Dans ce cas, les conduits ont correctement été dimensionnés pour obtenir un débit de ventilation de 5 Vol/h.
Simulation de la décharge nocturne par ventilation naturelle
Quantifier les gains de la ventilation naturelle par cheminée
Suite aux études de performance des différents types de cheminées, une étude a été réalisée afin d’évaluer la décharge nocturne dans ce bâtiment grâce à la ventilation naturelle et à ces cheminées. La décharge nocturne correspond au processus de refroidissement passif qui exploite la baisse des températures extérieures durant la nuit pour évacuer la chaleur accumulée en journée. Ce phénomène repose sur la circulation naturelle ou forcée de l’air, permettant ainsi de réduire la température intérieure et d’améliorer le confort thermique sans recours à une climatisation mécanique.
Cette étude vise à quantifier l’efficacité de ce mécanisme en fonction des conditions climatiques, des caractéristiques du bâtiment et des flux d’air induits.
Condition de la décharge nocturne
Afin de modéliser une décharge nocturne correspondant à un scénario réaliste, nous avons choisi de simuler une différence de température de 10°C entre l’air intérieur et extérieur. Plus précisément, nous avons considéré deux situations caractéristiques : une température extérieure de 18°C et une température intérieure de 28°C.
Ce choix repose sur l’hypothèse que, lors des périodes de forte chaleur, l’accumulation thermique au sein du bâtiment entraîne une élévation de la température intérieure, tandis que la baisse des températures extérieures durant la nuit permet d’initier un phénomène de refroidissement passif. Cette différence de température favorise la ventilation naturelle, en créant un gradient thermique propice à la circulation de l’air à travers les cheminées et les ouvertures du bâtiment.
Les conditions de vents ont été également déterminé d’après l’étude climatique réalisé préalablement. Le vent majoritaire sur site a été choisi pour cette étude.
Résultats des études de décharge climatique
Les résultats de la décharge nocturne permettent d’identifier facilement les zones correctement ventilées, où les températures intérieures sont relativement proches de la température extérieure. Ces zones bénéficient d’un brassage d’air efficace, favorisant le refroidissement passif du bâtiment.
À l’inverse, les zones faiblement ventilées sont également mises en évidence. Dans ces espaces, la circulation de l’air est plus limitée, entraînant des températures résiduelles élevées, proches de 28°C. L’identification de ces zones est essentielle pour optimiser la stratégie de ventilation naturelle, en ajustant les ouvertures ou en intégrant des solutions pour améliorer le renouvellement de l’air et homogénéiser la répartition des températures.
Cette étude a permis d’identifier les points chauds dans le bâtiment et d’analyser leur impact sur le confort thermique. Globalement, la décharge nocturne s’est révélée efficace pour maintenir des températures confortables dans la majeure partie du bâtiment, en favorisant un refroidissement passif optimal.
On constate toutefois que les espaces faiblement brassés ne bénéficient pas de la décharge nocturne.
Par ailleurs, cette étude a joué un rôle clé dans l’accompagnement de notre client pour l’optimisation de la ventilation naturelle. Grâce aux résultats obtenus, nous avons pu établir une liste de bonnes pratiques permettant de maximiser la ventilation naturelle et, par conséquent, d’améliorer la décharge nocturne. Ces recommandations visent notamment à optimiser la gestion des ouvertures, à ajuster les débits d’air, et à exploiter pleinement les différences de température pour renforcer l’efficacité du rafraîchissement passif.
Synthèse vidéo de l'étude
Synthèse vidéo de l'étude
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