L'effet de tirage thermique, ou effet de cheminée

Qu'est-ce que le tirage thermique ?

Le tirage thermique, également connu sous le nom d'effet de cheminée, est un phénomène physique qui se produit dans les bâtiments lorsque l'air chaud à l'intérieur, étant moins dense que l'air froid extérieur, tend à monter.

Ce mouvement naturel de l'air génère un courant ascendant dans les espaces fermés, créant un flux d'air qui peut être utilisé pour la ventilation naturelle des bâtiments. Le tirage thermique repose sur les principes de la flottabilité, où la différence de température entre l'air intérieur et l'air extérieur engendre une différence de pression. Cette différence de pression pousse l'air chaud à s'échapper par les points élevés du bâtiment, tandis que l'air froid pénètre par les ouvertures situées plus bas.

L'efficacité du tirage thermique dépend de plusieurs facteurs, tels que la hauteur du bâtiment, la différence de température entre l'intérieur et l'extérieur, ainsi que la configuration des ouvertures d'entrée et de sortie d'air. Ce phénomène est particulièrement pertinent dans les immeubles de grande hauteur, où il peut entraîner des défis significatifs en termes de confort thermique, de consommation énergétique, et même de sécurité. Comprendre et maîtriser le tirage thermique est donc essentiel pour optimiser la performance énergétique des bâtiments, réduire les pertes d'énergie et assurer un environnement intérieur confortable et sain.

Effet de tirage thermique dans les immeubles de grande hauteur

L'effet de cheminée

L'effet de tirage thermique est un défi majeur pour les gratte-ciel, mais il peut également être un facteur non négligeable pour les bâtiments à partir de deux étages. La structure agit comme une cheminée géante, canalisant efficacement l'air chaud vers le haut jusqu'à ce qu'il finisse par quitter complètement la structure. Généralement, ces phénomènes sont favorisés par les cages d'escaliers ouvertes distribuant tous les niveaux d'un bâtiment.

L'effet de cheminée se produit lorsque la température extérieure est sensiblement inférieure à la température intérieure. L'air froid est plus dense que l'air chaud : lorsqu'il pénètre dans la structure par le bas, il remplace l'air chaud plus haut. Cela crée un flux d'air qui aspire plus d'air froid et intensifie les courants d'air. Plus la structure est haute, plus ce flux d'air est fort. C'est pourquoi les portes tournantes ont été développées peu après les premiers gratte-ciel : la force d'aspiration au niveau du sol était si forte en hiver que les gens avaient du mal à ouvrir les portes ! On retrouve toujours ce phénomène aujourd'hui pour les ascenseurs, qui mettent parfois en relation les parties basses du bâtiment avec les zones de toiture pour la ventilation de la trémie. Cependant, en présence de vent, le tirage devient tel que les portes d'ascenseur peuvent se retrouver bloquées ou que des sifflements importants apparaissent dans les sas des niveaux bas.

Le problème évident est que l'air intérieur traité est perdu, et gaspille donc de l'énergie. Mais un autre facteur est que ce problème peut s'aggraver avec le temps. Si le flux d'air est particulièrement fort, il exerce une pression sur les entrées d'air parasites : les joints se fissurent, entraînant de nouvelles vulnérabilités. Avec une pression soutenue, ces espaces peuvent s'élargir et s'étendre, intensifiant le flux d'air et accélérant la perte d'énergie.

L'effet de cheminée fonctionne parce que l'air chaud doit aller quelque part lorsqu'il atteint le niveau le plus élevé du bâtiment. Dans de nombreux cas, il s'échappe dans le grenier par des plafonds fissurés, des défauts d'étanchéité au niveau des réseaux, des luminaires encastrés, ou tout simplement par une perméabilité à l'air trop importante du plancher du grenier. Une fois l'air chaud parvenu au dernier niveau, il s'échappe à l'extérieur par la moindre vulnérabilité qu'il peut trouver.

Le plan de pression neutre

Le plan de pression neutre est un plan horizontal imaginaire où la pression interne est égale à la pression atmosphérique externe. À cette altitude, la différence de pression entre l'intérieur et l'extérieur est nulle : l'air ne rentre ni ne sort du bâtiment. Le point de pression neutre dépend des systèmes CVC du bâtiment, qui mettent en pression ou en dépression selon leur zone de distribution. Pour le bon fonctionnement du tirage thermique, la position du plan de pression neutre doit être étudiée à l'avance afin de déterminer la position des entrées et sorties d'air dès la conception. Les entrées d'air doivent être positionnées sous le plan de pression neutre et les sorties au-dessus, comme le montre le schéma ci-dessous.

En effet, sous le plan de pression neutre, la pression intérieure est inférieure à la pression extérieure : l'air rentre dans le bâtiment. Au-dessus du plan de pression neutre, c'est l'inverse : la pression intérieure est supérieure à la pression extérieure et l'air sort du bâtiment.

Estimation du tirage thermique dans un bâtiment

Définitions et formules

La ventilation par flottabilité exploite les principes de différence de densité de l'air pour assurer un renouvellement efficace de l'air dans un espace clos. Cette méthode peut être mise en œuvre de différentes manières, notamment par l'utilisation combinée de tours de refroidissement et de cheminées.

Les tours de refroidissement, fonctionnant sur le principe de l'évaporation de l'eau pour refroidir l'air, fournissent de l'air frais en bas de l'espace. Lorsque cet air frais est chauffé par les occupants ou d'autres sources internes, sa densité diminue et il devient plus léger, favorisant sa montée. Au moyen d'une cheminée, cet air chaud et vicié est évacué vers l'extérieur, créant un courant d'air qui permet à l'air frais de continuer à entrer par les ouvertures inférieures pour le remplacer.

La différence de densité de l'air dépend de facteurs tels que la température et l'humidité. En hiver, lorsque la différence de température entre l'intérieur et l'extérieur est maximale, la ventilation par effet de cheminée est particulièrement efficace. Cependant, en été, cette méthode peut ne pas fonctionner efficacement, car elle nécessite que l'intérieur soit plus chaud que l'extérieur — ce qui est généralement indésirable pendant les mois chauds.

La ventilation par flottabilité, en exploitant les différences de densité de l'air dues à la température et à l'humidité, peut donc être une méthode efficace pour assurer une ventilation naturelle et confortable des espaces intérieurs, mais elle nécessite une adaptation aux conditions climatiques pour être pleinement efficace.

Une expression du débit d'air ventilé par effet de cheminée peut être donnée par :

On remarque que le débit est positif lorsque T_i > T_e : l'air chaud et vicié sort du bâtiment. En été, lorsque T_i < T_e, le débit devient négatif : l'air chaud entre dans le bâtiment, ce qui n'est pas l'effet recherché. Le tirage thermique n'est donc pas adapté en cas de fortes chaleurs extérieures pour des bâtiments de type habitation ou bureaux. On peut aussi noter le cas où T_i et T_e sont du même ordre de grandeur (mi-saison) : le débit est alors presque nul et il n'y a plus de ventilation. C'est pourquoi, pour des bâtiments classiques, le tirage thermique n'est pas adapté à toutes les saisons.

Ordres de grandeur

Si l'on prend le cas d'un bâtiment d'habitation en hiver avec une cheminée de 15 m de hauteur, la température intérieure (T_i) est en moyenne de 20 °C et la température extérieure (T_e) de 0 °C. Le coefficient de décharge est pris environ égal à 0,65 et la surface (S) de la cheminée est de 0,1 m². En faisant l'application numérique, l'ordre de grandeur du débit d'air ventilé par tirage thermique est : Q = 0,34 m³/s, soit environ 1200 m³/h. Une cheminée de ce type permet de ventiler correctement (débit de 5 Vol/h) un espace de 100 m². Ces valeurs ne sont valables que dans la situation évoquée précédemment.

Le coefficient de décharge

Le coefficient de décharge est un paramètre utilisé pour décrire la performance d'une cheminée ou d'un conduit dans le contexte du tirage thermique. Il représente la fraction du débit massique théorique d'air qui est réellement aspirée à travers le conduit en raison de l'effet de tirage thermique.

Le coefficient de décharge dépend de plusieurs facteurs : la géométrie de la cheminée, la rugosité de ses parois, la température de l'air à l'intérieur du conduit, la différence de température entre l'intérieur et l'extérieur, ainsi que d'autres variables environnementales.

Pour le calculer, on peut utiliser des modèles empiriques basés sur des expériences et observations, ou des simulations numériques prenant en compte les différentes variables influentes. Ces modèles ou simulations permettent de déterminer le coefficient de décharge pour une configuration spécifique de cheminée dans des conditions données.

En général, le coefficient de décharge est exprimé comme une valeur comprise entre 0 et 1, où 1 représente un tirage optimal (tout l'air théoriquement disponible est effectivement aspiré). Une valeur inférieure à 1 indique des pertes ou des inefficacités dans le processus de tirage.

L'apport de la simulation CFD

La simulation CFD (Computational Fluid Dynamics) offre un avantage indéniable dans la détermination des coefficients de décharge du tirage thermique. Elle permet une estimation précise et plus accessible que les méthodes expérimentales traditionnelles. Grâce à la CFD, il est possible d'analyser virtuellement le comportement des flux d'air dans un système de tirage thermique, offrant une compréhension approfondie des phénomènes de convection et de turbulence.

De plus, cette approche offre une grande flexibilité dans la modification et l'optimisation du projet, puisqu'elle intervient à un stade précoce de la conception — évitant ainsi les coûts et les contraintes des modifications en phase de réalisation. La simulation CFD prend directement en compte les effets de pertes de charge : grâce à la formule théorique sans pertes (C_d = 1), on peut remonter au coefficient de décharge du système étudié.

En somme, la simulation CFD représente un outil essentiel pour une conception efficace et optimisée des systèmes de tirage thermique.

Le tirage thermique dans l'industrie

Les enjeux

En milieu industriel, le phénomène du tirage thermique revêt une importance cruciale. Souvent généré par des équipements tels que les fours ou les machines, la chaleur à évacuer se caractérise par des températures très élevées. Ces conditions thermiques nécessitent une gestion efficace, car elles peuvent entraîner une accumulation de chaleur à l'intérieur des installations industrielles.

De plus, il est fréquent que la température de l'air à évacuer soit nettement supérieure à celle de l'air extérieur, même en été : le tirage thermique fonctionne alors même lors d'épisodes de fortes chaleurs. Ce décalage thermique aggrave les défis liés au contrôle de la température et à la ventilation, nécessitant des solutions spécifiques pour maintenir des conditions de travail optimales et garantir la sécurité des opérations industrielles.

Simulation CFD

On présente sur les deux images ci-dessous une simulation numérique réalisée pour la ventilation d'une industrie, pour laquelle un dimensionnement d'aérateurs statiques a dû être réalisé.

Le dimensionnement des ouvrants de ventilation naturelle est fortement influencé par le concept de pression neutre. Ce dernier désigne un niveau crucial où la pression interne d'un espace équivaut à la pression atmosphérique externe, formant un plan horizontal fictif. À ce niveau, les orifices d'entrée d'air sont peu efficaces ; au-dessus, la pression interne dépasse celle de l'extérieur, rendant essentiel le positionnement des bouches de sortie d'air à cet endroit. En revanche, les ouvertures d'entrée d'air sont toujours placées en dessous du plan neutre, car elles génèrent une zone de dépression. Lors de la conception, il est primordial de déterminer avec précision la hauteur du plan neutre et de répartir judicieusement la différence de pression disponible entre les bouches d'entrée et de sortie, en tenant compte des pertes de débit. Selon les saisons, la position du plan neutre n'est pas la même, comme l'atteste le schéma ci-dessous.

Lorsque la température extérieure est très inférieure à la température intérieure (hiver), le plan de pression neutre est situé plus haut en altitude. En revanche, en été, lorsque les écarts de température sont moins importants — mais toujours avec une température intérieure plus élevée —, le plan de pression neutre est situé plus bas. C'est pourquoi, pour que le tirage thermique fonctionne en toute saison, les entrées d'air doivent être situées en dessous de la position minimale du plan de pression neutre, et les sorties d'air au-dessus de sa position maximale.

Bilan

EOLIOS est donc capable d'apporter des solutions dans le domaine du dimensionnement des cheminées, ainsi que des ouvrants et des simulations numériques sur le tirage thermique. Son expertise et son savoir-faire permettent d'offrir des services et des outils de modélisation précis et fiables, pour répondre aux besoins des industries soucieuses de l'efficacité énergétique et de la sécurité de leurs installations.