Qu’est ce que la ventilation naturelle ?
Contexte général
La ventilation naturelle dans les bâtiments est une méthode qui utilise les forces naturelles du vent et de la flottabilité (différence de densité entre air froid et air chaud) pour introduire de l’air frais et le distribuer de manière efficace, afin de garantir un environnement intérieur sain, frais et confortable pour les occupants. Elle permet d’assurer l’apport d’air respirable adéquat, la ventilation des contaminants, le conditionnement thermique et la dissipation de l’humidité, tout en favorisant le bien-être.
Pour que la ventilation naturelle soit efficace, il est essentiel d’établir une relation étroite entre l’architecture du bâtiment et le système de circulation de l’air. Cela comprend la prise en compte de la forme du bâtiment, de l’environnement du site dans un lieu spécifique, ainsi que de l’aménagement intérieur.
La ventilation naturelle présente de nombreux avantages et permet de tirer parti des forces naturelles telles que le vent, la température extérieure et la lumière du soleil pour ventiler et rafraîchir les espaces occupés. Elle contribue également à réduire l’empreinte environnementale des bâtiments, en favorisant une utilisation plus efficace des ressources et en diminuant les besoins en énergie.
Pourtant, l’avènement de la ventilation mécanique contrôlée a progressivement relégué la ventilation naturelle au second plan. Les systèmes mécaniques offrent certes des avantages en termes de gestion précise des flux d’air et de contrôle des conditions intérieures, mais ils nécessitent également une consommation d’électricité importante et ne sont pas toujours adaptés à tous les types de bâtiments et de climats.
Face à ces enjeux, il est important de repenser la place de la ventilation naturelle dans les nouveaux projets architecturaux. En s’inspirant des savoirs traditionnels et de l’expérience des architectes du passé ainsi que des avancées technologiques actuelles, il est possible de développer des solutions innovantes et durables qui tirent pleinement parti des bienfaits de la ventilation naturelle. Cette approche permettrait de concilier confort, qualité de l’air et respect de l’environnement, tout en offrant des espaces de vie et de travail agréables et sains pour les occupants.
Nos projets en génie climatique :
Les différents types de ventilation naturelle
Ventilation par ouverture de fenêtre
Les deux systèmes présentés dans cette section (ventilation mono-exposée et ventilation traversante) reposent sur le principe de la convection naturelle, où l’air frais entre pour le remplacer l’air chaud, créant un mouvement d’air continu à travers le bâtiment.
Ventilation mono-exposée
La ventilation mono-exposée est un système de ventilation qui tire parti d’une seule façade ou exposition du bâtiment pour favoriser le mouvement de l’air. Ce système repose sur la différence de température et de pression entre l’intérieur et l’extérieur du bâtiment pour créer un flux d’air naturel. Typiquement, cette méthode implique l’installation de fenêtres, ouvertures ou panneaux sur la façade exposée aux vents dominants, permettant à l’air frais de pénétrer à l’intérieur par le bas de la fenêtre tandis que l’air vicié est évacué par le haut de la fenêtre (effet de flottabilité).
C’est pourquoi, pour ce type de ventilation, on préconise des ouvertures verticales pour s’assurer d’une différence de qualité d’air entre le bas et haut. De plus, les espaces trop grands ne sont pas compatibles avec ce type de ventilation : en effet, on préconise en général une profondeur de la pièce inférieure ou égale à 2 fois la hauteur sous plafond pour ressentir les effets de la ventilation mono-exposée (d’après AREC Ile de France).
L’inconvénient majeur de ce type de ventilation est qu’il dépend fortement températures extérieures. Ainsi, son efficacité réduite pendant les périodes de temps chaud et calme, lorsque les différences de température et de pression entre l’intérieur et l’extérieur du bâtiment sont minimales. Dans ces conditions, il peut être nécessaire de recourir à des systèmes de ventilation mécanique pour assurer un renouvellement adéquat de l’air à l’intérieur du bâtiment : la ventilation n’est donc plus naturelle à ce stage.
Notons que la ventilation naturelle mono exposée est souvent utilisée dans les bâtiments résidentiels et commerciaux où il n’est pas possible d’avoir des ouvertures sur plusieurs façades en raison de contraintes de conception ou d’espace. Cependant, ce type de ventilation naturelle est en général très peu efficace.
Ventilation traversante
La ventilation traversante est un système de ventilation qui utilise les différences de pression naturelles entre deux ouvertures opposées d’un bâtiment pour permettre le passage de l’air frais de l’extérieur vers l’intérieur et l’évacuation de l’air vicié de l’intérieur vers l’extérieur.
La ventilation traversante est souvent favorisée dans les climats où les vents dominants sont réguliers et forts, car elle permet un renouvellement efficace de l’air intérieur tout en évacuant l’excès de chaleur, d’humidité et de contaminants. Elle est également utilisée pour maximiser les avantages des brises naturelles, en exploitant les différences de température et de pression entre l’intérieur et l’extérieur du bâtiment.
Les bâtiments conçus pour la ventilation traversante sont généralement orientés de manière à capturer les vents dominants et disposent d’ouvertures positionnées stratégiquement sur des façades opposées pour permettre le passage de l’air. Cette méthode de ventilation peut être efficace pour maintenir un environnement intérieur confortable tout en réduisant la dépendance aux systèmes de ventilation mécanique, ce qui peut entraîner des économies d’énergie significatives. Cependant, son efficacité peut varier en fonction des conditions météorologiques et des caractéristiques spécifiques du bâtiment.
Avantages et inconvénients
Les avantages de ces deux types de ventilations sont les suivants :
- Réduction de la dépendance aux systèmes mécaniques
- Renouvellement efficace de l’air (pour la ventilation traversante)
- Amélioration de la qualité de l’air et confort thermique
Cependant, il existe également des inconvénients :
- Contrôle limité : difficile de contrôler le débit d’air dans le bâtiment qui peut entrainer des fluctuations d’air. De plus la ventilation peut dépendre de l’information des occupants du bâtiment si elle passe par l’ouverture de fenêtre. Si ces fenêtres ne sont jamais ouvertes, il n’y a pas de ventilation naturelle.
- Infiltrations de polluants extérieurs : si le bâtiment est situé dans une zone polluée, par exemple au bord d’une route passante, le système de ventilation risque de contaminer les occupants du bâtiment. De plus, si on reprend l’exemple du bâtiment au bord d’une route passante, la problématique du bruit des voiture n’est pas compatible avec une ventilation naturelle par ouverture de fenêtres.
- Enfin, ces deux types de ventilations sont extrêmement dépendantes des conditions météorologiques. Si le vent ne souffle pas, il n’y aura pas de ventilation.
Atrium
La ventilation des atriums est un aspect spécifique de la ventilation naturelle dans les bâtiments. Les atriums sont des espaces intérieurs ouverts et souvent sur plusieurs étages, qui servent de puits de lumière et de zones de rencontre. La ventilation des atriums s’appuie sur les principes de la ventilation naturelle pour assurer une circulation d’air adéquate.
Le fonctionnement de la ventilation des atriums repose sur le phénomène de tirage thermique. L’air chaud s’élève naturellement vers le haut de l’atrium en raison de la différence de densité avec l’air plus frais en bas. L’air chaud est évacué par les ouvertures ou les fenêtres situées en hauteur, créant un appel d’air qui aspire l’air frais de l’extérieur par les ouvertures inférieures. Cette circulation d’aircrée une ventilation naturelle dans l’atrium, renouvelant l’air et améliorant la qualité de l’air intérieur.
Les avantages de la ventilation des atriums résident dans plusieurs aspects :
- Amélioration de la qualité de l’air : La ventilation naturelle des atriums permet de renouveler l’air intérieur en évacuant les contaminants et en introduisant de l’air frais provenant de l’extérieur. Cela contribue à maintenir un environnement intérieur sain et confortable.
- Éclairage naturel : Les atriums sont conçus pour laisser entrer la lumière naturelle, ce qui réduit la dépendance à l’éclairage artificiel et crée une atmosphère agréable pour les occupants.
- Esthétique et convivialité : Les atriums offrent un espace ouvert et accueillant, créant un sentiment de connexion avec l’extérieur et favorisant les échanges entre les occupants.
Cependant, la ventilation des atriums peut présenter quelques inconvénients :
- Dépendance aux conditions climatiques : Comme pour toute ventilation naturelle, l’efficacité de la ventilation des atriums dépend des conditions météorologiques, notamment de la force du vent. Les atriums peuvent être moins efficaces dans les climats avec des vents faibles ou peu constants.
- Contrôle de la température : Les atriums peuvent entraîner des fluctuations de la température à l’intérieur du bâtiment, notamment en raison de l’apport d’air chaud en été ou de la perte de chaleur en hiver. Une conception attentive, avec des systèmes de régulation appropriés, est nécessaire pour maintenir un confort thermique optimal.
- Ces structures peuvent poser problème pour le désenfumage car en cas d’incendie, les fumées peuvent s’y propager rapidement.
La ventilation des atriums offre donc des avantages significatifs en termes de qualité de l’air, d’éclairage naturel et de convivialité. Malgré quelques limitations, elle reste une solution efficace pour assurer une ventilation naturelle dans les bâtiments et créer des espaces intérieurs agréables et sains. La conception et la régulation adéquates sont essentielles pour optimiser ses performances et s’adapter aux conditions climatiques spécifiques.
Ventilation naturelle par cheminée
La ventilation naturelle par les cheminées est une méthode ancienne mais pouvant être efficace pour favoriser la circulation de l’air à l’intérieur des bâtiments. Les cheminées sont des conduits verticaux qui permettent à l’air chaud de s’échapper naturellement du bâtiment, créant ainsi une aspiration qui entraîne l’entrée d’air frais par les ouvertures inférieures. Ce phénomène est appelé tirage thermique. Le fonctionnement de la ventilation naturelle par les cheminées repose sur le principe de la différence de température et de densité de l’air. Lorsque l’air à l’intérieur du bâtiment se réchauffe, il devient moins dense que l’air extérieur plus frais. Lorsque de l’air frais entre par une ouverture basse dans le bâtiment, il chasse l’air chaud par le conduit de cheminée jusqu’à la sortie, une ouverture plus haute.
L’air chaud et vicié est ainsi évacué naturellement par les cheminées, tandis que l’air frais est aspiré à l’intérieur par les ouvertures inférieures. Ce processus de ventilation naturelle permet de renouveler l’air et d’évacuer les contaminants, contribuant ainsi à maintenir un environnement intérieur sain et confortable pour les occupants.
Les cheminées peuvent être conçues de différentes manières en fonction des besoins spécifiques du bâtiment et des conditions environnementales. Elles peuvent être intégrées au sein de murs extérieurs ou être des éléments distincts du bâtiment. Elles peuvent également être adaptées à différentes formes et tailles pour maximiser l’efficacité de la ventilation.
La ventilation naturelle par les cheminées est une méthode ancienne mais pouvant être efficace pour favoriser la circulation de l’air à l’intérieur des bâtiments. Les cheminées sont des conduits verticaux qui permettent à l’air chaud de s’échapper naturellement du bâtiment, créant ainsi une aspiration qui entraîne l’entrée d’air frais par les ouvertures inférieures. Ce phénomène est appelé tirage thermique. Le fonctionnement de la ventilation naturelle par les cheminées repose sur le principe de la différence de température et de densité de l’air. Lorsque l’air à l’intérieur du bâtiment se réchauffe, il devient moins dense que l’air extérieur plus frais. Lorsque de l’air frais entre par une ouverture basse dans le bâtiment, il chasse l’air chaud par le conduit de cheminée jusqu’à la sortie, une ouverture plus haute.
Souvent, en plus de la ventilation naturelle, la mise en œuvre des conduits doit également être compatible avec les problématiques incendie et d’acoustique.
Notons également les inconvénients de la ventilation par les cheminées :
- Dépend des conditions météorologiques : elle peut être peu efficace lorsque les différences de température sont minimales.
- La ventilation par cheminée peut entrainer des pertes de chaleurs ce qui n’est parfois pas souhaitable lors de certaines saisons de l’année.
Tour de ventilation naturelle
Les tours de ventilation naturelle représentent une méthode ingénieuse de ventilation qui puise son inspiration dans les traditions architecturales du Moyen-Orient (par exemple les badguir en Iran). Ces structures, souvent sous la forme de tours ou de cheminées montées sur le toit, exploitent habilement les courants d’air en altitude, là où la vitesse du vent est plus élevée. En captant cet air frais et en le canalisant à l’intérieur des bâtiments, les tours de ventilation naturelle créent un mouvement d’air qui favorise une circulation naturelle et efficace.
Le fonctionnement des tours de ventilation naturelle repose sur le principe du différentiel de pression créé par le vent. En agissant comme des collecteurs d’air frais, ces structures induisent un flux d’air à travers le bâtiment, permettant ainsi une ventilation naturelle sans recourir à des systèmes mécaniques de climatisation. Le côté de la tour face au vent capte l’air frais du vent et est propagé dans l’enceinte du bâtiment. L’air chaud est chassé par l’air frais et s’échappe par le côté opposé au vent. Aujourd’hui les dispositifs sont moins imposants que les badguirs iraniens, on parle de tourelle de ventilation naturelle.
Cette approche présente plusieurs avantages, notamment une réduction de la dépendance énergétique aux dispositifs de refroidissement artificiel, ce qui entraîne des économies d’énergieet une empreinte carbone réduite. De plus, les tours de ventilation naturelle favorisent un environnement intérieur plus sain en assurant un renouvellement constant de l’air, ce qui peut contribuer à améliorer le confort des occupants et à réduire les risques liés à la qualité de l’air intérieur. Ces tours à vents ne dépendent pas non plus de la direction du vent, elles peuvent capturer le vent quelle qu’en soit sa direction et toujours l’évacuer par l’ouverture opposée.
Cependant, malgré leurs nombreux avantages, les tours de ventilation naturelle présentent également quelques inconvénients potentiels. Leur efficacité dépend fortement des conditions météorologiques, notamment de la vitesse et de la direction du vent. Par conséquent, dans les zones où les vents sont faibles ou irréguliers, ces systèmes peuvent ne pas fonctionner de manière optimale. De plus, il est essentiel de prendre en compte les variations de pression et les conditions locales lors de la conception et de l’installation des tours de ventilation naturelle afin d’assurer leur efficacité et leur fiabilité à long terme.
Ventilation naturelle assistée et contrôlée (VNAC)
Parmi les différentes options disponibles que nous venons d’évoquer, la ventilation naturelle assistée et contrôlée (VNAC) se profile comme une solution intéressante, conciliant les avantages de la ventilation naturelle et mécanique.
La VNAC vise à optimiser la ventilation en combinant une ventilation naturelle et une ventilation mécanique contrôlée. Elle repose sur l’utilisation de capteurs intelligents qui mesurent les conditions climatiques extérieures (vitesse du vent, température, pression atmosphérique, ensoleillement) ainsi que les conditions intérieures (température, taux de CO2, présence de personnes). Ces capteurs permettent d’adapter la ventilation en fonction de ces différentes variables.
Lorsque les conditions sont favorables, tels qu’un vent suffisant ou une ouverture des fenêtres, la VNAC met en pause la ventilation mécanique afin de tirer parti de la ventilation naturelle disponible. En revanche, lorsque l’air intérieur devient vicié ou que les conditions ne sont plus propices à une ventilation naturelle efficace, la VNAC active la ventilation mécanique pour assurer un renouvellement de l’air.
Les avantages de la VNAC sont :
- Économie d’énergie : La VNAC permet de réaliser des économies d’énergie en utilisant la ventilation naturelle lorsque les conditions sont optimales. Cela réduit la consommation d’électricité liée à la ventilation mécanique.
- Qualité de l’air intérieur : Grâce à la combinaison des deux types de ventilation, la VNACassure un renouvellement régulier de l’air intérieur, éliminant les polluants et les odeurs indésirables.
- Confort thermique : Les capteurs intelligents de la VNAC permettent de réguler la température intérieure en fonction des conditions extérieures. Ainsi, elle favorise un confort thermique optimal.
Il existe également des inconvénients :
- Coût initial plus élevé : L’installation d’un système de VNAC peut être plus complexe et nécessiter l’intervention d’un professionnel, ce qui entraîne des coûts supplémentaires par rapport à la ventilation naturelle classique.
- Dépendance aux capteurs : Comme la VNAC repose sur les capteurs intelligents, toute défaillance ou mauvais fonctionnement de ceux-ci peut affecter la performance de la ventilation.
- Consommation d’énergie variable : Bien que la VNAC puisse permettre des économies d’énergie en ajustant la ventilation en fonction des conditions, son fonctionnement peut entraîner une augmentation de la consommation d’énergie lorsqu’il est nécessaire de compenser une ventilation insuffisante.
À Saint-Nazaire, en Loire-Atlantique, un exemple concret de VNAC a été mis en place. Ce système de ventilation repose sur un concept de ventilation simple flux autoréglable, mais avec une extraction indépendante pour chaque logement. L’extraction de l’air vicié se fait grâce à des tourelles installées sur le toit, qui utilisent à la fois le tirage thermique et l’énergie du vent pour optimiser les débits.
Les entrées d’air frais sont positionnées dans les pièces principales, et sont adaptées pour maintenir des débits constants même avec de faibles différences de pression. Quant à l’air vicié, il est extrait des pièces humides comme la cuisine, la salle de bains et les WC, et est évacué à l’extérieur par des conduits individuels qui débouchent en toiture. Un aspect notable de ce système est la présence de grandes cheminées en toiture. Ces cheminées regroupent les sorties des conduits d’extraction individuels et servent également de base à des tourelles de ventilationspécifiquement conçues pour tirer parti des conditions venteuses de Saint Nazaire. Les tourelles orientables disposent d’ouvertures pour permettre l’entrée d’air supplémentaire. Ainsi, elles créent une surpression et améliorent le tirage d’air.
En plus de faciliter l’extraction de l’air vicié, ces tourelles fonctionnent également comme des cheminées solaires. Elles sont équipées de châssis vitrés qui permettent d’augmenter temporairement la température à la sortie des conduits d’extraction, améliorant ainsi le tirage. Pour ajuster les débits de ventilation en fonction des besoins et des conditions climatiques, un système complet de régulation a été mis en place pour chaque logement. Cela permet de réduire les débits lorsque cela est nécessaire, assurant ainsi une ventilation optimale tout en optimisant la consommation d’énergie. Cet exemple concret de VNAC à Saint Nazaire démontre l’efficacité de ce système de ventilation qui tire parti des tourelles de ventilation et d’une régulation intelligente pour optimiser les débits d’air. Il illustre également comment la VNAC peut être adaptée aux spécificités locales, en utilisant les conditions venteuses pour améliorer la ventilation naturelle. Avec cette solution, Saint Nazaire s’engage dans une approche durable de la ventilation, offrant ainsi un environnement intérieur sain et économe en énergie pour ses habitants.
Dimensionnement et études CFD
Enjeux des études CFD
Dans cette section, nous détaillons comment Eolios s’engage à fournir une expertise spécialisée dans le dimensionnement et l’étude par CFD (Computational Fluid Dynamics) des conduits et cheminées pour la ventilation naturelle. Nos services sont conçus pour répondre précisément aux besoins de nos clients, en utilisant des outils avancés de modélisation numérique pour optimiser la performance et l’efficacité des systèmes de ventilation. Que ce soit pour la conception initiale, l’analyse de performance ou l’optimisation des systèmes existants, notre équipe d’experts est prête à accompagner chaque étape du processus, garantissant des résultats fiables et adaptés à chaque projet.
Etude de différents types de cheminées
Voici un exemple d’études CFD qui ont été menées pour déterminer quel type de cheminée est la plus efficace pour la ventilation naturelle. Après un dimensionnement des conduits de cheminées réalisée en prenant en compte le débit d’air à évacuer ainsi que les volumes du bâtiment, différents types de sortie d’air ont été testées. De plus, avant toute simulation, une étude climatique du site du projet est réalisée pour estimer quels sont les origines de vents les plus fréquents et quels sont leur intensité. Il est important de réaliser cette étude avant toute simulation pour obtenir les résultats les plus conformes à la réalité.
Comme le montre la figure ci-dessus, les différentes sorties de cheminées sont modélisées en 3D afin d’être testées par la CFD. L’objectif est de déterminer la forme la plus pertinente pour un projet donné 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 le rendement de tirage naturel.
En fonction des besoins du projet ainsi que des conditions climatiques, certaines cheminées sont plus adaptées que d’autres. Le rôle d’Eolios est donc entre autres d’estimer quelle sortie d’air sera la plus adaptée à un projet de ventilation naturelle dans un bâtiment avec un dimensionnement de conduits correspondants aux besoins du projet.
Etude CFD de ventilation naturelle par des conduits individuels
Dans cette étude de ventilation naturelle, Eolios a dimensionné des conduits individuels pour ventiler chaque étage de manière efficace. La figure ci-dessous, est un plan des vitesses d’air dans le bâtiment étudié et particulièrement dans les conduits, pour deux types de cheminées : l’une fixe classique l’autre mobile.
Dans cette étude, l’air extérieur entre dans le bâtiment par des ouvertures en façade, comme en atteste la figure ci-dessous qui montre les courants d’air de type ventilation traversante dans le bâtiment.
Enfin, la dernière figure présente des traces de lignes de courant des particules d’air qui participent à la ventilation naturelle du bâtiment par les cheminées.
Synthèse
La ventilation naturelle offre des solutions efficaces et durables pour assurer une circulation d’air adéquate à l’intérieur des bâtiments. Chacun de ces systèmes présente ses propres avantages et inconvénients, mais tous contribuent à créer un environnement intérieur sain et confortable pour les occupants. Elle améliore la qualité de l’air intérieur tout en restant sobre énergétiquement et est donc respectueuse de l’environnement.
En effet, la ventilation naturelle s’inscrit dans une approche durable de la construction, en utilisant les ressources naturelles disponibles pour assurer le bien-être des occupants et nécessite presque aucun entretien. En effet, elle réduit la dépendance aux technologies électriques et contribue à une empreinte carbone réduite des bâtiments. Cependant, il est important de noter qu’il existe également des inconvénients potentiels à la ventilation naturelle notamment la dépendance aux conditions climatiques. La ventilation naturelle est fortement influencée par les conditions météorologiques, telles que la force du vent. Par conséquent, son efficacité peut varier en fonction du climat et de la géographie du lieu.
C’est pourquoi, Eolios peut apporter son expertise dans le domaine en aidant au dimensionnement et plus largement à la mise en place de la ventilation naturelle. En effet, la simulation CFD est une solution simple à mettre en oeuvre dans les phases de conceptions et permet de choisir quel système sera le plus efficace.
