Aération / Ventilation

Aération et ventilation Aération: terme général pour tout renouvellement de l'air intérieur d'un bâtiment (ou d'une pièce), en principe échangé contre de l'air extérieur Ventilation: aération volontaire (ventilation mécanique, ouverture des fenêtres, etc)

Impacts de l'aération qualité de l'air déperditions de chaleur et consommation d'énergie (de chauffage en hiver, de refroidissement en été) problèmes de condensation (teneur en eau de l'air) confort thermique et courants d'air

Modélisation de l'aération Les masses d'air qui traversent le bâtiment sont mues par: le vent (augmentation de la pression sur la façade au vent) différence entre les densités d'air intérieur et extérieur tirage (effet de cheminée) ventilation de l'installation aéraulique, dans le cas où une telle installation existe

Ventilation par déplacement

Distribution d'air dans une pièce En piston Mélange Le plus fréquent L'objectif de l'aération est d'amener de l'air frais dans le nez des occupants et d'éliminer les polluants le plus près des sources. Il existe donc en principe un parcours idéal pour l'air: d'abord près du visage des occupants, puis vers les sources de pollution, puis vers l'extérieur. La réalité n'est pas si simple, l'air ne suit pas les flèches, mais le parcours le plus facile pour lui. Suivant la disposition des sources d'air et des bouches d'évacuation, suivant l'intensité et la disposition des sources de chaleur, et suivant le mouvement des objets et des occupants, l'air peut suivre des parcours très différents. Les schémas plus simples à comprendre sont la ventilation en piston (l'air passe d'une paroi de la pièce à l'autre) et le mélange total: l'air frais est instantanément et uniformément mélangé à l'air de la pièce. D'autres schémas sont possibles, bien sûr. En piston Mélange

Mesure de l'âge de l'air

Efficacité d'aération ha = 1 ha = 0,5 ha < 0,5 Age de l'air moyen Constante de temps nominale ha = 0,5 Rendement de ventilation ha < 0,5

Efficacité de la ventilation Constante de temps nominale Temps de changement d'air tr : double de l'âge moyen de l'air dans le volume ventilé Efficacité de ventilation

Exemple d'application Une installation de ventilation a été mesurée et trouvée peu performante, l'efficacité de la ventilation étant de 30%. Les défauts de cette installation étaient multiples: défauts d'étanchéité, distribution d'air mal disposée, etc. La qualité de l'air étant satisfaisante, on a pu réduire le débit d'un facteur 2,5 tout en maintenant l'age de l'air, la correction de ces défauts ayant plus que doublé l'efficacité de la ventilation. Moitié moins de débit pour la même qualité d'air!!

Energie et prEN 1752

Contrôle des débits L'air doit passer par les organes de contrôle. Le reste de l'enveloppe doit être étanche. Contrôle manuel Contrôle par horloge Contrôle à la demande capteurs de CO2 capteurs d’humidité capteurs «multigaz» Pour contrôler efficacement les débits d'air, il est absolument indispensable que l'air ne puisse pas trouver de chemin en dehors des passages prévus à cet effet et contenant des organes de contrôle. L'enveloppe du bâtiment, en particulier, doit être étanche à l'air, à l'exception des éventuelles entrées d'air réglables aménagées pour assurer une ventilation contrôlée, qu'elle soit naturelle ou mécanique par extraction. Les locaux ventilés par des installations à double flux doivent être étanches vers l'extérieur. Les canalisations des installions de ventilation mécanique elles aussi doivent être étanches. Tout court-circuit entre les canalisations d'extraction et de pulsion est à éviter. Ceci étant assuré, le débit d'air de ventilation peut être contrôlé de plusieurs manières: Manuellement, l'utilisateur ouvrant et fermant les ouvertures de ventilation et les fenêtres. Ce mode convient aux habitations et à certains locaux de travail, mais demande de la part de l'usager une information suffisante. Les installations de ventilation mécaniques des locaux à utilisation périodique peuvent être commandées simplement apr une horloge: ventilation minimale, voire nulle pendant les heures d'absence, et ventilation au régime nominal pendant le temps de présence. Le contrôle à la demande asservit le débit de ventilation à la mesure d'une concentration de polluant, de manière à maintenir cette concentration juste en dessous d'une valeur limite de consigne. Il est alors essentiel que le contaminant considéré soit représentatif pour les locaux ainsi contrôlés. Ce type de contrôle est très efficace dans les locaux à occupation intermittente et irrégulière (restaurants, salles de cours, de conférence, etc.).

Etanchéité de l'enveloppe

Critères de perméabilité Ancien critère: Nouveau critère: Relation de passage:

Ventilation mécanique: avantages Ventilation de grands volumes Contrôle total des débits et du climat Isolation du bruit et de la pollution extérieurs Récupération de la chaleur

Ventilation mécanique: inconvénients Mal accepté par les occupants, qui ont peu de contrôle sur leur environnement Occupe un volume considérable Coût élevé Consommation d’énergie électrique Bruit Qualité d’air

Ventilation mécanique Avantages Contrôle du débit et du climat intérieur Utilisable en environnement pollué ou bruyant Récupération de chaleur. Inconvénients Mal accepté Coûteux Occupe un grand volume Consomme de l'énergie électrique Parfois bruyant Les règlements de construction exigent la ventilation par extraction dans tous les locaux borgnes. Cette extraction est souvent mécanique, mais peut aussi se faire naturellement par effet de cheminée. La ventilation mécanique est incontournable dans certaines situations: volume trop important par rapport à la surface des fenêtres ou des façades (bureaux paysagers par exemple); environnement extérieur trop froid, trop chaud, trop humide, trop bruyant ou trop pollué pour permettre l'ouverture de fenêtres ou tout autre moyen de ventilation naturelle; volumes dans lesquels le conditionnement de l'air est indispensable (musées, bibliothèques, salles blanches, etc.). Si les installations sont correctement conçues, construites, mises en service et exploitées, la ventilation mécanique présente les avantages suivants: contrôle aisé des débits de ventilation; possibilité de contrôle total du climat intérieur; possibilité de récupération de la chaleur contenue dans l'air vicié; possibilité de fournir, à l'aide de filtres et de captage en toiture, de l'air plus propre que l'air de la rue, et de s'isoler du bruit extérieur. La ventilation mécanique présente aussi quelques inconvénients La ventilation mécanique soit souvent mal acceptée, en particulier parce que les occupants ont moins de contrôle sur leur environnement. Les installations et les conduites pour la ventilation mécanique occupent un volume important, ce qui augmente le volume construit et son prix de 10 à 25%. Leur coût intrinsèque des installations est aussi généralement élevé. La propulsion de l'air au travers des conduits dont les dimensions sont restreintes pour des raisons de place et de coût nécessite de l'énergie. La ventilation mécanique peut être source d'un bruit faible mais gênant.

Ventilation naturelle Avantages Bien acceptée Coût très faible Pas d’énergie pour le transport d’air Inconvénients Récupération de chaleur difficile Inutilisable en environnement pollué ou bruyant Applications de la ventilation naturelle La ventilation naturelle peut s'appliquer à tous les volumes de dimension relativement restreinte munis d'ouvertures de ventilation suffisantes. En Suisse, la majorité des bâtiments d'habitation en et beaucoup de bureaux individuels sont ventilés de cette manière (à l'exception des locaux borgnes), mais aucune exigence n'existe en ce qui concerne les entrées d'air. En France, une extraction mécanique est exigée pour tous les locaux, l'entrée d'air étant assurée par des grilles ad hoc. La ventilation naturelle est à la base de la stratégie de refroidissement passif. Avantages et inconvénients de la ventilation naturelle La ventilation naturelle est généralement bien acceptée. Elle ne requiert pas d'énergie pour le transport d'air. Le coût des installations nécessaires est très faible, voire nul si l'on n'utilise que les fenêtres pour aérer. Par contre, elle est difficile à contrôler. En fait, c'est l'occupant qui, la plupart du temps, assume le contrôle en fonction de son jugement de la qualité de l'air et de ses habitudes culturelles. D'autre part, il est difficile, voire impossible, de récupérer la chaleur contenue dans l'air évacué. La ventilation naturelle est enfin déconseillée dans les environnements pollués ou bruyants.

Comment aérer? Aérer fortement pendant quelques minutes: Pour changer l'air après une activité polluante Pour oxygéner Pour évacuer le gaz carbonique Aérer continûment au débit convenable Pour évacuer la chaleur Pour évacuer les odeurs absorbées Pour assécher les matériaux La stratégie d'aération doit être adaptée aux besoins, afin d'être efficace tout en consommant peu d'énergie. L'aération forte mais intermittente est la meilleure pour changer l'air tout en ne refroidissant pas trop le bâtiment. En ouvrant les fenêtres en grand pendant 10 minutes, on remplace l'air vicié par de l'air frais, mais la structure n'a pas le temps de se refroidir. La surface des parois retrouve sa température initiale après quelques minutes, et la température de la pièce est rapidement confortable. Cette stratégie doit être adoptée en particulier pendant ou après des activités polluantes: cuisine, peinture, fumée, etc. et pendant les pauses dans les écoles. Par contre, pour évacuer les contaminants absorbés par les matériaux (odeurs, humidité) ou pour évacuer la chaleur stockée dans la structure, il faut aérer quasi continûment avec un débit convenable. Si ce débit est trop faible, on n'arrivera pas à évacuer ce que l'on désire, et s'il est trop fort, la consommation d'énergie augmente sans évacuer plus que le maximum possible. Ce maximum correspond à la vitesse à laquelle le polluant (ou la chaleur) sort du matériau. Si on a une source continue de polluant (personnel au travail, dormeurs dans la chambre à coucher, etc..) cette stratégie est aussi la meilleure.

Santé des occupants Enquête dans 8 immeubles de bureaux en Suisse Liste de 11 symptômes (fatigue, yeux secs, etc..) Valeurs corrigées pour le sexe. Nombre moyen minimum par bâtiment: 2,4 Nombre moyen des 8 bâtiments : 4,5 Valeur maximale: 7,1 Est-ce acceptable? Une enquête concernant la qualité de l'environnement intérieur a été effectuée pendant l'hiver 93-94 dans 56 bâtiments de bureaux de 9 pays d'Europe (dont 8 bâtiments en Suisse). Cette enquête comprenait: un questionnaire sur la santé et le bien être d'au moins 100 occupants, une check list sur l'équipement, les matériaux, la consommation d'énergie, etc.. la mesure de concentration en polluants (CO, CO2, VOCs, poussières) la mesure de la qualité olfactive de l'air, avec une équipe de "nez", la mesure des débits d'air dans les bureaux et les installations. Le questionnaire sur la santé demande si la personne ressent ou a ressenti l'un ou plusieurs des symptômes suivants: fatigue, maux de tête, yeux secs ou larmoyants, nez bouché ou coulant, gorge sèche, difficultés respiratoires, peau sèche ou irritée, symptômes grippaux. Pour chaque symptôme, on demande aussi s'il disparaît en dehors du bâtiment. Si c'est le cas, le symptôme est reconnu comme lié au bâtiment. Le Building Symptom Index, ou BSI, est le nombre moyen de symptômes liés au bâtiment ressenti par les occupants du bâtiment. Il apparaît que cet indice est étonnamment élevé. Ces bâtiments sont pourtant tous suffisamment ventilés, avec des installations entretenues selon les règles de l'art. Aucun des bâtiments n'était reconnu comme malsain. Il semble que cette situation soit de règle actuellement. Est-ce acceptable?

L'aération influence L'aération influence: La qualité d'air: l'air intérieur est remplacé par de l'air extérieur, en principe de meilleure qualité. Les pertes et gains de chaleur: la température de l'air extérieur est souvent différente de celle de l'air intérieur. On peut ainsi gagner ou perdre de la chaleur, ce qui peut être souhaitable ou indésirable, suivant les saisons. La condensation: l'humidité de l'air intérieur est modifiée par l'apport d'air extérieur. De plus, l'air intérieur humide dépose sa vapeur d'eau par condensation sur les surfaces froides. Le confort thermique peut être amélioré ou dégradé par les courants d'air. Si l’aération est trop forte, la consommation d’énergie est trop élevée et des courants d’air peuvent gêner les occupants. Si elle est trop faible, la qualité de l’air intérieur devient mauvaise et des dégâts dus à l’humidité peuvent apparaître

Si l'aération est trop forte Consommation d'énergie exagérée Courants d'air, mauvais confort thermique Condensation dans les fuites

Si l'aération est insuffisante Mauvaise qualité d'air, odeurs Condensation aux endroits froids Trop haute température Mauvaise combustion

Moteurs de la ventilation Le vent Les différences de densité d'air Les ventilateurs Ces trois moteurs sont souvent d'égale importance: Une pression de 4 Pa résulte aussi bien d'une différence de température de 10 K sur une hauteur de 10 m que de l'impact d'un vent de 3 m/s. Les masses d'air traversant le bâtiment sont mues par trois types de forces: le vent, ayant pour effet d'augmenter la pression sur la façade au vent, et d'abaisser la pression sur les autres façades et sur le toit, la différence entre les densités d'air intérieur et extérieur, qui cause un tirage (effet de cheminée) faisant monter l'air chaud et humide et descendre l'air froid et/ou sec, les ventilateurs des installations aérauliques, si elles existent. Les deux premières forces sont fortement variables et incontrôlables.

Modèles numériques (CFD)

Modèle physique

Modèle nodal aéraulique

Effet des ventilateurs Les ventilateurs insufflent ou extraient de l'air des locaux, changeant ainsi la pression locale Les installations de ventilation mécaniques ne sont pas toujours présentes. Toutefois, on trouve presque dans tous les bâtiments de petits ventilateurs d'extraction dans les locaux borgnes. Les ventilateurs modifient la distribution de pression dans le bâtiment, donc modifient la distribution des flux d'air. Dans un bâtiment à ventilation mécanique à double flux, ce devrait être les seuls moteurs des flux d'air. Toutefois, les défauts d'étanchéité du bâtiment permettent souvent des infiltrations parasites non souhaitées. Dans les bâtiments à ventilation naturelle, les ventilateurs d'extraction agissent en général pendant des périodes limitées.

L'effet du vent Le vent exerce des pressions sur les diverses parois de l'enveloppe. Ces pressions poussent l'air au travers des ouvertures et des défauts d'étanchéité Un bâtiment constitue un obstacle à l'écoulement du vent. La déformation des lignes de courant due à cet obstacle crée des surpressions sur la façade au vent et des dépressions sur le toit et sur la façade sous le vent. Les parois intermédiaires peuvent subir des surpressions à certain endroit et des dépressions à d'autres endroits. La distribution des pressions sur l'enveloppe dépend de la forme du bâtiment et de ses détails, mais aussi de l'environnement autour de ce bâtiment.

L'effet du vent v Cp:Coefficient de pression Un bâtiment constitue un obstacle à l'écoulement du vent. La déformation des lignes de courant due à cet obstacle crée des surpressions sur la façade au vent et des dépressions sur le toit et sur la façade sous le vent. Les parois intermédiaires peuvent subir des surpressions à certain endroit et des dépressions à d'autres endroits. La distribution des pressions sur l'enveloppe dépend de la forme du bâtiment et de ses détails, mais aussi de l'environnement autour de ce bâtiment. Cp:Coefficient de pression  : Masse volumique de l'air v : Vitesse de l'air de référence

Effet de cheminée Une colonne d'air froid pèse plus lourd qu'une colonne d'air chaud. Il en résulte des différences de pression variant avec la hauteur. La pression atmosphérique en un endroit résulte du poids de la colonne d'air s'élevant au-dessus de cet endroit. Or, la partie de la colonne d'air située dans le bâtiment a en général une température et une humidité différente de la partie de colonne correspondante à l'extérieur du bâtiment. Comme la densité de l'air dépend de sa température et de sa teneur en eau, on observe des différences de densité. Il en résulte une différence de pression de part et d'autre des parois de l'enveloppe du bâtiment.

Débit d’air Sous l'effet des différences de pression, de l'air entre et sort du bâtiment. Chaque ouverture ou défaut d'étanchéité, sous l'effet des différences de pression dues aux effets cumulé du vent, des gradients de densité et des ventilateurs, laisse passer un certain débit d'air. Ce débit est d'autant plus grand que l'ouverture est plus large et que la différence de pression est plus grande. D et n dépendent du type d’ouverture ou de fissure. n est compris entre 0.5 (régime turbulent) et 1 (régime laminaire

Qu'est-ce que le niveau neutre? En peu de temps, un équilibre s'établit. Le niveau neutre est le niveau où la pression intérieure est égale à la pression extérieure La position du niveau neutre dépend des pressions et des ouvertures. La quantité d'air qui entre dans le bâtiment est égale à celle qui en sort, car la pression à l'intérieur du bâtiment reste pratiquement constante, à mieux que 0,1% près: le bâtiment ne se gonfle ni se dégonfle. Les pressions sur l'enveloppe s'ajustent donc de manière à équilibrer les débits entrant et sortant. Le niveau auquel la différence de pression entre l'intérieur et l'extérieur est nulle est le niveau neutre. En hiver, ou la nuit en été, l'intérieur et plus chaud que l'extérieur. L'air entre dans le bâtiment par le bas et en sort par le haut. La position du niveau neutre dépend de la position et de la taille des ouvertures. S’il y a une seule ouverture, le niveau neutre se situe approximativement à mi-hauteur. S’il y a plusieurs ouvertures,. le niveau neutre a tendance à ce rapprocher des plus grandes ouvertures.

Position du niveau neutre S'il n'y a qu'une ouverture, le niveau neutre se place près du milieu de cette ouverture. S'i l'extérieur et plus froid que l'air intérieur, l'air chaud sort par le haut de l'ouverture, et l'air frais entre par le bas de l'ouverture, et remplit le local de bas eu haut.

Position du niveau neutre Lorsqu'il y a deux ouvertures, le niveau neutre se place entre elles, à une position telle que les débits entrant et sortant du bâtiment soient égaux.

Position du niveau neutre Lorsqu'il y a deux ouvertures, le niveau neutre se place entre elles, à une position telle que les débits entrant et sortant du bâtiment soient égaux. Le niveau neutre tend à se rapprocher de l'ouverture la plus grande. Ainsi, il est possible d'amener de l'air frais à tout le bâtiment si on pratique une très grande ouverture tout en haut du bâtiment.

Débit dans une ouverture Equation de Bernoulli p1 + ½ρe u12 = p2 + ½ ρi u22 (conservation de l'énergie) u p Adaptation:

Position du niveau neutre Effet de cheminée Niveau neutre A1 u1 re= A2 u2 ri

Position du niveau neutre

Débit d'air par effet de cheminée Deux ouvertures d'aires A1 et A2 distantes de H m en hauteur Une ouverture de hauteur H et de largeur W

Vent et effet de cheminée L'effet du vent peut contrarier l'effet du tirage thermique ou le renforcer. Dans le cas où l'intérieur est plus chaud que l'extérieur, l'air tend à quitter le bâtiment par le haut. Cet air est remplacé par de l'air frais entrant par els ouvertures basses. Si les ouvertures basses sont au vent et les ouvertures hautes sous le vent, le vent renforce l'effet du tirage thermique. Plus le vent est fort, plus l'aération est grande. Si les ouvertures hautes sont au vent et les ouvertures basses sous le vent, le vent contrarie l'effet du tirage thermique. A faible vent, le tirage thermique domine, mais son effet diminue avec l'augmentation de la vitesse du vent, jusqu'à une vitesse de vent critique à laquelle l'effet du vent compense exactement le tirage. L'aération est alors pratiquement nulle. Si la vitesse du vent augmente encore, l'effet du vent domine et l'aération augmente. Débit Débit Tirage Tirage Vitesse du vent Vitesse du vent

Ventilation et saisons Air extérieur froid et sec Faible débit d'air nécessaire Fort tirage et fort vent Un fuite donne trop d'air, trop froid et trop sec. Air extérieur tempéré et humide Fort débit d'air nécessaire Faible tirage Une fuite ne donne pas assez d'air.

La ventilation naturelle Est d'autant plus forte que les ouvertures ou les fuites sont plus grandes A ouverture ou fuite fixe, elle est trop forte par froide bise et insuffisante en mi-saison Il faut donc contrôler la ventilation en plaçant des ouvertures ad hoc dans une enveloppe étanche. Il ne faut pas compter sur les fuites pour aérer. La ventilation naturelle résulte des différences de pression dues au vent et aux gradients de densité (essentiellement aux gradients de température). Les différences de pression ne sont pas nécessairement les plus fortes lorsque l'on a besoin de beaucoup d'air. Il faut donc disposer d'ouvertures variables pour contrôler la ventilation naturelle, et l'adapter aux besoins. Pour que ces ouvertures aient un effet, il faut que le reste de l'enveloppe soit étanche.

Ouverture des fenêtres Les fenêtres sont souvent utilisées pour la ventilation naturelle. Ces ouvrants peuvent se classer en différents types, selon la manière de les ouvrir. Chaque type d'ouvrant présente des avantages et des inconvénients qu'il faut pondérer en fonction des besoins. Les aspects à prendre en compte sont notamment: La protection contre les intempéries La section libre avec fenêtre ouverte L'étanchéité de la fenêtre fermée L'encombrement des ouvrants par rapport à la place à disposition Les habitudes locales et le côut. Le guide CIBSE donne quelques formules permettant d'estimer a ventilation par des fenêtre ouvertes. Les règles du pouce suivantes en ont été tirées: Surface de fenêtre minimale égale au 1/20e de la surface de plancher, et profondeur de la pièce maximale selon la . Profondeur de ventilation efficace à partir des fenêtres. Ouverture d'un seul côté, effet du vent ou de gradients de température seulement: 2,5 fois la hauteur des fenêtres Ventilation traversante: 5 fois la hauteur des fenêtres

Ouvertures de ventilation L'industrie du bâtiment offre plusieurs types d'ouvertures spécialement destinées à la ventilation. La en présente quelques exemples. Ces ouvertures sont étudiées pour assurer un débit réduit au strict nécessaire pour assurer une qualité d'air correcte en hiver. Dans la catégorie des grilles réglables, on trouve des modèles avec protection contre les insectes ou filtre acoustique atténuant le bruit. Il existe aussi des modèles ajustant automatiquement le débit, soit à une valeur constante, pratiquement indépendante de la différence de pression, soit à une valeur dépendant de l'humidité à l'intérieur du bâtiment: plus l'humidité est importante, plus la grille s'ouvre. Ces grilles fonctionnent à satisfaction et conformément aux performances annoncées tant qu'elles sont maintenues propres et en bon état. En principe, une surface d'ouverture réglable de 400 mm2 par mètre carré de plancher permet d'assurer une ventilation naturelle de base convenable.

Canaux de ventilation Des conduits de ventilation sont souvent aménagés dans les bâtiments, soit pour amener de l'air frais dans des pièces borgnes, soit pour évacué l'air vicié de pièces particulièrement contaminées (toilettes, cuisines, salles d'eau) ou de locaux borgnes. Le tirage thermique naturel permet d'assurer un débit limité dans ces conduits, mais ne consomme pas d'énergie mécanique. Un ventilateur présente une consommation additionnelle, mais permet d'évacuer un débit nettement plus important. On distingue principalement trois manières d'installer ces conduits. Le conduit unique est à déconseiller vivement, car il propage d'un étage à l'autre le bruit, les odeurs, les contaminants, voire même le feu. Les conduits individuels ne présentent aucun de ces inconvénients, mais occupent plus de place et coûtent nettement plus cher. Les conduits shunt représentent un compromis, diminuant les effets des inconvénients des deux autre types d'installation. Il faut mentionner ici que, pour permettre les débits élevés, il est nécessaire que ces conduits aient une grande section. D'autre part, ces conduits vont de pair avec des ouvertures de ventilation, permettant l'entrée d'air remplaçant l'air évacué par les conduits.

Entrées d'air réglables De nombreuses maisons proposent différents types d'entrées d'air, allant de la simple grille obturable à la bouche d'air automatique. Les entrées d'air devraient, autant que possible, présenter les propriétés suivantes: Permettre de modifier le débit à volonté (réglable) Etre étanche en position fermée Protéger des insectes et de la poussière. Empêcher l'entrée de la pluie Pouvoir être montées facilement. Les fenêtres et les cadres de fenêtres présentent des possibilités de montage facile, en particulier pour la rénovation. Dans le bâtiment neuf, il est parfaitement possible d'intégrer ces entrées dans les contrecœurs ou en pleine paroi.

Bouches d'air hygroréglables De nombreuses maisons proposent différents types d'entrées d'air, allant de la simple grille obturable à la bouche d'air automatique. La maison Aereco, en France, s'est spécialisée depuis longtemps dans la bouche d'air hygroréglable. Le débit est contrôlé par un clapet actionné par un hygromètre à ruban. Le ruban étant plongé dans l'air intérieur, la bouche permet de contrôler le débit d'air de manière à maintenir une humidité relative relativement constante. Ces grilles fonctionnent à satisfaction et conformément aux performances annoncées tant qu'elles sont maintenues propres et en bon état.

Entrée d'air à "débit constant" L'entrée d'air à débit constant contient un clapet actionné par le courant d'air: plus celui-ci tend à forcir, plus le clapet se ferme. Il s'ensuit que le débit croît beaucoup moins vite que dans une ouverture fixe.

Ventilation mécanique à double flux La ventilation mécanique à double flux a l'avantage de faciliter la récupération de chaleur. Cette opération permet de diminuer fortement la consommation d'énergie des bâtiments modernes, qui sont déjà bien isolés. Des systèmes ont été récemment développés pour les logements, en cherchant à minimiser le coût et la place occupée par les conduites. Dans le système illustré, les conduites, nombreuses mais de petit diamètre, sont noyées dans la structure du bâtiment. L'air frais est introduit au travers d'un puis canadien d'abord dans l'échangeur de chaleur, puis dans le bâtiment.

A travers une fenêtre... lumière chaleur air infiltrations bruit vue voleurs insectes feu pluie

Que se passe-t-il lorsqu’on ouvre une fenêtre?

Vitesses et différence de pression La quantité d'air qui entre dans le bâtiment est égale à celle qui en sort, car la pression à l'intérieur du bâtiment reste pratiquement constante, à mieux que 0,1% près: le bâtiment ne se gonfle ni se dégonfle. Les pressions sur l'enveloppe s'ajustent donc de manière à équilibrer les débits entrant et sortant. Le niveau auquel la différence de pression entre l'intérieur et l'extérieur est nulle est le niveau neutre. En hiver, ou la nuit en été, l'intérieur et plus chaud que l'extérieur. L'air entre dans le bâtiment par le bas et en sort par le haut. La position du niveau neutre dépend de la position et de la taille des ouvertures. S’il y a une seule ouverture, le niveau neutre se situe approximativement à mi-hauteur. S’il y a plusieurs ouvertures,. le niveau neutre a tendance à ce rapprocher des plus grandes ouvertures

Position du niveau neutre

Aération, humidité et isolation Le débit d'air nécessaire pour éviter que l'humidité générée par une personne ne cause des moisissures sur les parois extérieures dépend donc d'une part du niveau d'isolation et d'autre part de la température extérieure. Le niveau d'isolation 100% correspond à une isolation parfaite, la surface intérieure des parois donnant sur l'extérieur est à température ambiante intérieure. Le niveau d'isolation 75 % correspond au minimum admissible selon SIA 180. La différence de température entre l'air intérieur et la surface intérieure n'est que le quart de la différence de température entre l'intérieur et l'extérieur. Ce niveau d'isolation permet d'éviter l'apparition de moisissures si l'aération est telle que l'humidité intérieure ne dépasse pas les valeurs admises (voir "Aération et humidité"). Le niveau 50% correspond à une très mauvaise isolation (U > 1,4 W/(m²K). Il faut doubler le débit d'aération pour éviter les moisissures en hiver! NOTE: Le niveau d'isolation doit être atteint en tout endroit, même aux ponts thermiques!

Aération, isolation et salubrité Bonne isolation haute température de surface intérieure, confort et santé, avec une aération correcte Faible isolation basse température de surface intérieure, condensation et moisissures ou aération forte En hiver, les parois donnant sur l'extérieur présentent une température de surface d'autant plus basse que l'isolation est moins forte. Si l'isolation est faible et que l'humidité ide l'air intérieur est relativement élevée, deux types de dégâts peuvent apparaître: a) Dès que la température de surface intérieure est égale ou inférieure au point de rosée de l'air intérieur, l'humidité de l'air condense sur la surface, rendant celle-ci humide. A l'extrême, des coulures et des taches se produisent. b) Si l'humidité relative de l'air dépasse environ 80% près de la surface pendant une longue période, alors des moisissures peuvent croître sur cette surface, sans qu'il y ait condensation. Ces dégâts apparaissent lorsque l'isolation est trop faible pour une aération donnée, ou lorsque l'aération est trop faible pour une isolation donnée.

25 residential buildings Etanchéité et Radon 25 residential buildings 7 homes Le radon provient essentiellement du terrain. S'il y a trop de radon dans un bâtiment, il est illusoire de vouloir l'éliminer en ventilant: il faudrait multiplier le débit de ventilation par 10 ou 100! La bonne méthode consiste à l'empêcher d'entrer, en séparant le volume habité du terrain ou du sous-sol, et en aérant le sous-sol (vide sanitaire). Il apparaît que si on améliore l'étanchéité d'un bâtiment, on n'augmente pas la concentration en radon, comme le montrent ces diagrammes. Ils montrent la concentration en radon avant et après rénovation d'immeubles et de villas. La raison est que, si on améliore l'étanchéité, on diminue le tirage qui tend à "aspirer" l'air du sous-sol ou du terrain. Crameri et al

Ouvrez la fenêtre... Dans des bâtiments de bureau examinés en Suisse, on a observé une très nette relation entre le pourcentage des occupants déclarant ouvrir la fenêtre et le nombre moyen de symptômes ressentis par ces mêmes occupants: moins les occupants ouvrent les fenêtres, plus ils sont malades... Il faut probablement interpréter ce résultat de manière plus prudente, à savoir: les occupants acceptent difficilement de ne pas avoir la possibilité d'ouvrir la fenêtre. Ils expriment consciemment ou inconsciemment ce mécontentement en ressentant des symptômes du syndrome du bâtiment malsain.

Conclusions Il faut aérer, mais il faut aérer "juste" Adapter l'aération aux besoins Pour limiter les pertes d'énergie liées à l'aération et améliorer la qualité de l'air, il faut: supprimer les besoins inutiles: bâtiments propres contrôler l'aération, donc enveloppe étanche et ouvertures de ventilation avoir de l'air propre dehors, donc ne pas polluer... En résumé, on peut décrire ainsi une aération optimale: Le débit d'air neuf dans une pièce donnée lors d'une utilisation définie doit être tel que la qualité de l'air soit acceptable, que les dégâts causés par l'humidité soient évités et que la consommation d'énergie correspondante soit minimale. Pour atteindre ces buts, il convient de prendre les mesures suivantes, dans l'ordre d'importance: Eliminer autant que possible les sources de pollution, notamment éviter d'utiliser à l'intérieur des matériaux ou des produits dégageant des toxiques. A défaut, circonscrire les sources de pollution, par exemple définir des zones fumeurs et non fumeurs. Eliminer les polluants résiduels aussi près que possible des sources de pollution , en utilisant des hottes et en plaçant les bouches d'extraction près de ces sources. Contrôler les débits de ventilation. Pour cela, il faut que l'enveloppe soit suffisamment étanche, et munie d'entrées d'air contrôlables. Si la ventilation est mécanique, ce contrôle dépend fortement de la qualité de la mise en service. Enfin, il faut entretenir les systèmes de ventilation, notamment nettoyer ou changer régulièrement les filtres et nettoyer les grilles et les conduites.

Conclusions L’aération sert plus à éliminer les polluants qu’à apporter de l’oxygène. Pour améliorer la qualité de l'air et limiter les pertes d'énergie liées à l'aération, il faut: supprimer les besoins inutiles: bâtiments propres contrôler l'aération, donc enveloppe étanche et ouvertures de ventilation avoir de l'air propre dehors, donc ne pas polluer... En résumé, on peut décrire ainsi une aération optimale: Le débit d'air neuf dans une pièce donnée lors d'une utilisation définie doit être tel que la qualité de l'air soit acceptable, que les dégâts causés par l'humidité soient évités et que la consommation d'énergie correspondante soit minimale. Pour atteindre ces buts, il convient de prendre les mesures suivantes, dans l'ordre d'importance: Eliminer autant que possible les sources de pollution, notamment éviter d'utiliser à l'intérieur des matériaux ou des produits dégageant des toxiques. A défaut, circonscrire les sources de pollution, par exemple définir des zones fumeurs et non fumeurs. Eliminer les polluants résiduels aussi près que possible des sources de pollution , en utilisant des hottes et en plaçant les bouches d'extraction près de ces sources. Contrôler les débits de ventilation. Pour cela, il faut que l'enveloppe soit suffisamment étanche, et munie d'entrées d'air contrôlables. Si la ventilation est mécanique, ce contrôle dépend fortement de la qualité de la mise en service. Enfin, il faut entretenir les systèmes de ventilation, notamment nettoyer ou changer régulièrement les filtres et nettoyer les grilles et les conduites.

Environnement intérieur: état actuel Odeurs incommodant 50 % des visiteurs Surchauffes fréquentes Climatisation mal acceptée Syndrome du bâtiment malsain Débits d’air incontrôlés Ventilation bruyante Acoustique discutable etc.. etc..

Syndrôme du bâtiment malsain Yeux secs Yeux larmoyants Nez bouché Nez coulant Gorge sèche Poitrine oppressée Symptômes de grippe Peau sèche Peau irritée, éruptions Mal à la tête Apathie, fatigue Ce symptôme s’améliore-t-il pendant les jours d’absence?

Énergie et environnement intérieur Confort = Haute technologie et forte consommation? NON! Un excellent confort peut être obtenu avec une faible consommation Energy is required to control the indoor cenvironment. Therefore, it is often suspected that energy savings result in poorer indoor environment quality, or, at the contrary, that high comfort level is a result of high technology and high energy consumption. This is not true, and it is now generally admitted among building scientists that high quality energy services do not necessarily incur a high energy use, and that good environment quality can be obtained with a reasonable amount of energy and power.

Isolation, aération, salubrité Isolation thermique  confort et salubrité Etanchéité à l'air  contrôle de la ventilation Eviter les polluants air de bonne qualité Ouvertures de ventilation  aération correcte et contrôlée En conclusion: L'isolation thermique apporte confort et salubrité, tout en économisant de l'énergie Une enveloppe étanche à l'air est indispensable au bon contrôle de la ventilation, elle apporte confort et salubrité tout en économisant de l'énergie. Une bonne qualité de l'air s'obtient en premier lieu en supprimant les sources de contamination. Il en résulte confort et salubrité tout en économisant de l'énergie. Une aération correcte s'obtient au moyen de dispositifs ad-hoc (ouvertures et canaux de ventilation naturelle, installations de ventilation mécanique). C'est le moyen de garantir confort et salubrité tout en économisant de l'énergie.

Les pertes par ventilation sont importantes.. Voici les différents flux énergétiques d’un bâtiment. Dans les bâtiments biens conçus et bien construits, l'isolation thermique est soignée. De ce fait, les déperditions par transmission sont fortement réduites et les déperditions par ventilation peuvent représenter une part importante dans le bilan thermique.

….mais peuvent être réduites Pour réduire la consommation d'énergie des bâtiments modernes, notamment pour obtenir le label Minergie, on utilise de plus en plus des échangeurs de chaleur sur l'air extrait, qui récupèrent une partie de la chaleur pour la recycler dans le bâtiment, généralement en préchauffant l'air frais. La consommation d'énergie est ainsi théoriquement fortement diminuée.

Ventilation à double flux La ventilation mécanique à double flux a l'avantage de faciliter la récupération de chaleur. Cette opération permet de diminuer fortement la consommation d'énergie des bâtiments modernes, qui sont déjà bien isolés. Des systèmes ont été récemment développés pour les logements, en cherchant à minimiser le coût et la place occupée par les conduites. Dans le système illustré, les conduites, nombreuses mais de petit diamètre, sont noyées dans la structure du bâtiment. L'air frais est introduit au travers d'un puis canadien d'abord dans l'échangeur de chaleur, puis dans le bâtiment.

Echangeurs de chaleur Echangeur rotatif Zone ventilée Echangeur Représentation très schématique d'une installation de ventilation mécanique. A droite, la zone ventilée. Les petites flèches représentent les flux d'air principaux. La grosse flèche courbe représente le flux de chaleur récupéré. On trouve différents types d'échangeurs sur le marché, par exemple les échangeurs rotatifs (schématisé en haut) et les échangeurs à plaques (schématisé en bas). Echangeur à plaques

Échangeurs rotatifs à plaques

Echangeur rotatif Les échangeurs de chaleur rotatifs transmettent la chaleur du canal d'extraction au canal de pulsion au moyen d'une roue en nid d'abeille ou en fine tôle ondulée. L'air chaud passant dans les canaux cède sa chaleur au matériau de la roue, qui tourne et peut à son tour la céder à de l'air plus froid passant dans l'autre sens.

Rendement global de récupération Le rendement de récupération de chaleur est le rapport de la chaleur récupérée à la chaleur totale perdue pour la ventilation.

Rendement de récupération de l'échangeur Le rendement de récupération de l'échangeur seul est le rapport de la chaleur cédée à l'air pulsé à la chaleur contenue dans l'air extrait. Débit d'enthalpie H = r Qv h

Rendements réel et nominal Rendement réel, global Rendements réel et nominal     La récupération de chaleur peut être caractérisée notamment par deux chiffres: le rendement global, ou réel de récupération, qui est le rapport de la chaleur récupérée à la chaleur contenue dans l'air extrait et exfiltré ou aux déperditions par ventilation en absence de récupération L'efficacité nominale de l'échangeur, qui est une caractéristique fournie par le fabricant et qui est souvent utilisée pour calculer la chaleur récupérée. Or, ces deux chiffres ne sont égaux que s'il n'y a aucune fuite ou courant parasite, et que les débits massiques d'air aux deux côtés de l'échangeur sont égaux. Nous verrons que ce n'est jamais le cas en pratique. Rendement sur catalogue Efficacité de récupération

Rendement de récupération 

Courants d'air parasites non récupéré recyclage des impuretés Zone ventilée non réchauffé On trouve souvent, dans les installations de ventilation, des débits d'air parasites: L'air entrant par infiltration au travers de l'enveloppe du bâtiment ne peut pas profiter de la chaleur récupérée. L'air sortant par exfiltration au travers de l'enveloppe du bâtiment ne peut pas céder sa chaleur à l'échangeur, et la chaleur est définitivement perdue pour le bâtiment. Les recirculations parasites, soit à l'intérieur de l'unité de traitement d'air, soit à l'extérieur du bâtiment, réduisent la pureté de l'air pulsé, et nécessitent donc une augmentation de ce débit pour obtenir une bonne qualité d'air.

Modèle nodal Si Re=0 avec: A l'aide d'un modèle nodal du réseau de ventilation, incluant les débits parasites, et en utilisant les lois de conservation de l'énergie et de la masse à chaque nœud, nous avons calculé le rendement global. La formule que voici est une variante simplifiée, valable s'il n'y a aucune recirculation extérieure. La formule complète est publiée par ailleurs (Energy and Buildings) gexf est la part de l'air passant dans la zone ventilée qui est perdue par exfiltration Rxs est le taux de recirculation, à savoir la part de l'air extrait qui est recirculée dans l'air pulsé. Si Re=0 avec:

Récupération de chaleur Perte de rendement Récupération de chaleur On trouve souvent, dans les installations de ventilation, des débits d'air parasites: L'air entrant par infiltration au travers de l'enveloppe du bâtiment ne peut pas profiter de la chaleur récupérée. L'air sortant par exfiltration au travers de l'enveloppe du bâtiment ne peut pas céder sa chaleur à l'échangeur, et la chaleur est définitivement perdue pour le bâtiment. Les recirculations parasites, soit à l'intérieur de l'unité de traitement d'air, soit à l'extérieur du bâtiment, réduisent la pureté de l'air pulsé, et nécessitent donc une augmentation de ce débit pour obtenir une bonne qualité d'air.

Rendement de récupération dans 12 unités Nous avons mesuré, à l'aide de gaz traceurs, les débits d'air principaux et parasites de 12 installations de ventilation: 9 grosses installations en Suisse (losanges) et 3 petites installations (triangles) en Allemagne. L'efficacité de récupération a aussi été mesurée. Le rendement de récupération réel de ces douze installations est représenté en fonction de l'efficacité nominale de récupération. On remarque que pour toutes les installations, le rendement de récupération réel est inférieur à l'efficacité nominale de récupération. Il est particulièrement mauvais pour deux installations, et acceptable (plus de 85% de l'efficacité nominale) pour deux installations seulement.

Coefficient Of Performance COP On peut aussi calculer le coefficient de performance, (comme celui utilisé pour les pompes à chaleur), à savoir le rapport de la chaleur récupérée à l'énergie finale nécessaire pour faire tourner les ventilateurs.

Économie d’Énergie Nette Spécifique Économie d'énergie nette spécifique = énergie nette récupérée par mètre cube d'air. EENS Pour être plus pragmatique, on peut calculer l'économie d'énergie nette par mètre cube d'air, qui comprend la chaleur récupérée par l'échangeur, plus la chaleur produite par les ventilateurs et récupérée dans l'air pulsé, dont on déduit l'énergie primaire nécessaire à faire tourner les ventilateurs.

EENS & COP COP EENS 8 Acceptable 6 4 Inacceptable 2 -1 1 2 Ces deux grandeurs sont représentées ici pour les 12 installations mesurées. On notera que trois installations récupèrent moins d'énergie qu'elles n'en consomment, que 7 installations seulement présentent une récupération acceptable, même si elle est nettement inférieure aux prévisions selon la méthode habituelle (calculs avec l’efficacité nominale). La rentabilité financière de ces installations est discutable pour la plupart, et franchement mauvaise dans quelques cas. EENS -1 1 2

Exercice supplémentaire 2.6 Un bâtiment de surface au sol 10 x 10 m2 et de hauteur 10 m comporte une série d'ouvertures à sa base (total 5 m2) et en toiture (total 5 m2). La différence de hauteur moyenne entre les deux séries d'ouvertures est de 9 m. Questions: Quel sera le débit d'air dû à l'effet de cheminée ? Quelle est la puissance de chauffage nécessaire à compenser la perte thermique correspondante ? Conditions: qint = 20 °C, qext = 0 °C, pas de vent