Effet de tirage thermique
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Définition
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
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 bâtiment 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 ouverte distribuant tous les niveau 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, donc lorsque l’air froid 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 phénomènes aujourd’hui pour les ascenseurs qui mettent parfois en relations les parties basses du bâtiment avec les zones de toitures pour la ventilation de la trémie. Cependant, en présence de vent (voir effet de tirage combiné avec le vent) , le tirage devient tel que les portes d’ascenseur peuvent se retrouver bloquer ou alors des sifflements importants peuvent apparaitre dans les sas des niveaux bas.
Le problème évident est que l’air intérieur traité est perdu, et donc gaspille 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, cela exerce une pression sur les entrée d’air parasites fines, les joints se fissurent entrainant 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’étanchéités au niveau des réseaux, des luminaires encastrés ou tout simplement par une perméabilité à l’air trop importante du plancher du grenier. Une fois que l’air chaud atteint le dernier niveau, l’air s’échappe à l’extérieur à travers toute petite vulnérabilité qu’il peut trouver.
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 pas et ne sort pas du bâtiment. Le point de pression neutre dépend des systèmes CVC du bâtiment qui mettent en pression ou en dépression en fonction de leur zone de distribution dans le bâtiment. Pour le bon fonctionnement du tirage thermique dans un bâtiment, la position du plan de pression neutre doit être étudiée à l’avance pour déterminer la position des entrées et sorties d’air lors de la phase de 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.
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 ainsi sa montée. En utilisant 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 :
Avec :
- Q : le débit d’air ventilé par tirage thermique
- C_d : le coefficient de décharge
- S : la section de passage de l’air dans la cheminée (en m²)
- g : l’accélération de la pesanteur
- h : la hauteur de la cheminée (en m)
- T_i : la température intérieure (en K)
- T_e : la température extérieure (en K)
On remarque bien 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 dans le cas de fortes chaleurs extérieures pour des bâtiments de type habitations ou bureaux. On peut également noter le cas où T_i et T_e sont du même ordre de grandeur (mi-saison) : dans ce cas, le débit est 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 de l’année. Mais nous allons présenter les situations pour lesquelles la ventilation par tirage thermique fonctionne toujours.
Ordres de grandeur
Si 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) est 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].
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, y compris 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 de la cheminée, ainsi que d’autres variables environnementales.
Pour calculer le coefficient de décharge, on peut utiliser des modèles empiriques basés sur des expériences et des 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, c’est-à-dire que tout l’air théoriquement disponible est effectivement aspiré à travers la cheminée. Une valeur inférieure à 1 indique des pertes ou des inefficacités dans le processus de tirage.
Simulation CFD
La simulation CFD (Computational Fluid Dynamics) offre un avantage indéniable dans la détermination des coefficients de décharge du tirage thermique. En effet, 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 ainsi une compréhension approfondie des phénomènes de convection et de turbulence.
De plus, cette approche permet une grande flexibilité dans la modification et l’optimisation du projet, étant donné qu’elle intervient à un stade précoce de la conception, évitant ainsi les coûts et les contraintes associés aux 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.
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, si bien que le tirage thermique fonctionne même lors d’épisodes de fortes chaleurs. Notons que ce décalage thermique aggrave les défis liés au contrôle de la température et à la ventilation, nécessitant ainsi 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 industriepour 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 ainsi un plan horizontal fictif. À ce niveau, les orifices d’entrée d’air sont peu efficaces, tandis qu’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 à cet emplacement. Lors de la conception d’un système de ventilation naturelle, 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 d’air, en tenant compte des pertes de débit. Selon les saisons, la position du plan neutre n’est pas la même comme en 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 importante, le plan de pression neutre est situé plus bas en altitude. 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 la position maximale du plan de pression neutre.
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.
