Economies d’énergie et confort grâce à la ventilation naturelle

Le refroidissement mécanique et la climatisation sont souvent utilisés dans les bâtiments pour gérer une augmentation interne de l'apport en chaleur. Mais avec une stratégie de refroidissement passif telle que le refroidissement par ventilation naturelle, les dépenses énergétiques peuvent être réduite d'au moins 50 % (classifications CE selon la norme EN).

Comment une surchauffe peut-elle survenir au sein d'un bâtiment ?

On parle de surchauffe quand il y a une augmentation de la température intérieure qui cause un inconfort aux occupants d'un bâtiment. Ceci peut survenir à cause de plusieurs facteurs : la quantité de personnes regroupées dans un espace, les composants électroniques, l'éclairage, le climat extérieur, la masse thermique, l'apport calorifique du fait des surfaces vitrées.

Comment le refroidissement par ventilation naturelle peut-il être utilisé afin de gérer la température intérieure et offrir un confort thermique dans un bâtiment tertiaire ?

Si l'air chaud ne peut pas être éliminé, un bâtiment peut devenir très inconfortable. L'humidité, des niveaux importants de CO2, des polluants et des températures intérieures élevées peuvent contribuer à des taux d'absentéisme plus conséquents et une productivité en baisse. Cependant, une stratégie de ventilation bien adaptée peut faire augmenter la productivité de 10 % (Olesen, 2010). Des rapports montrent également une réduction de l'absentéisme des collaborateurs allant jusqu'à 3,2 % (Sterling) lorsqu'un environnement intérieur confortable est proposé aux occupants d'un bâtiment.

Le refroidissement par ventilation utilise l'air extérieur à sa température réelle pour améliorer le confort thermique des occupants du bâtiment, en ne se servant pas ou de très peu d'énergie par rapport au refroidissement mécanique. La ventilation mécanique, hybride et naturelle peut être utilisée dans un but de refroidissement. Quand il s'agit de ventilation naturelle, 4 sections sont à prendre en compte :

• Ventilation sur un seul côté: elle dépend d'ouvertures situées à la même hauteur ou non, sur une même façade ou le même toit
• Ventilation à tirage thermique (flottabilité thermique) : elle dépend d'ouvertures situées à des hauteurs différentes sur les façades ou le toit d'un bâtiment ou d'une pièce
• Ventilation transversale : elle dépend d'ouvertures situées sur les différentes façades d'un bâtiment ou d'une pièce
• Ventilation à tirage thermique et transversale : elle dépend d'ouvertures situées à des hauteurs différentes et sur les façades diverses d'un bâtiment ou d'une pièce

Ventilation sur un seul côté

Elle est généralement considérée comme la plus simple des configurations de ventilation naturelle puisque toutes les ouvertures sont situées sur la même façade, à la même hauteur ou non. Mais il est également important de ne pas perdre de vue que la ventilation naturelle est la moins efficace en ce qui concerne le renouvellement de l'air et difficile à prévoir du fait de l'influence des conditions météorologiques. Différents facteurs doivent être pris en compte dans l'étape de planification d'une stratégie de ventilation naturelle. Il peut s'agir de la direction du vent, du site où se trouve le bâtiment et du type d'ouvertures utilisées.

Ventilation transversale

La ventilation transversale est une configuration spécifique de la ventilation naturelle où les ouvertures d'une même pièce ou d'un même espace sont situées sur différentes façades ou surfaces du toit d'un bâtiment. Ce type de ventilation naturelle dépend de l'utilisation de la force du vent afin de créer un flux d'air dans l'espace. La ventilation transversale peut permettre d'obtenir des taux élevés de flux d'air avec des vitesses du vent à l'extérieur en hausse.

Tirage thermique

Pour permettre le tirage thermique, les ouvertures doivent être situées à des hauteurs différentes, avec des fenêtres de façade apportant de l'air et des verrières et des fenêtres de toit agissant en tant que sorties d'air. Ce type de ventilation naturelle dépend de la différence de température entre l'intérieur et l'extérieur afin de créer un gradient thermique à l'intérieur d'un bâtiment et sur la hauteur du tirage (différence de hauteur entre la distribution et l'extraction). Grâce à la flottabilité thermique (poussée vers le haut de l'air chaud), l'air froid pénétrant dans le bâtiment par les ouvertures les plus basses est attiré vers le haut en se réchauffant et quitte le bâtiment à grande vitesse par les ouvertures les plus hautes.

Causes courantes de surchauffe dans les bâtiments tertaires :

• Apport calorifique : – un bâtiment chauffé de par son exposition au soleil
• Masse thermique : – les bâtiments à la structure lourde (par exemple, constituée de béton) emmagasinent la chaleur de la journée, puis la renvoient dans l'espace, ce qui ralentit leur refroidissement
• Matériaux : – la construction structurelle d'un bâtiment influence la façon dans la chaleur est transmise et emmagasinée
• Température externe de l'air : – air chaud envoyé dans un espace
• Apports calorifiques en interne : –activités telles que la cuisine, les machines et la chaleur émises par les personnes

Comment fonctionne le refroidissement nocturne ?

Le refroidissement nocturne, ou purge nocturne, tire avantage des températures plus basses pendant la nuit afin de remplacer rapidement l'air intérieur vicié et chaud, par de l'air plus frais en provenance de l'extérieur. L'air extérieur refroidit la masse thermique du bâtiment agissant en tant que puit thermique pendant la journée. Pendant la nuit, la chaleur est libérée depuis la structure du bâtiment, puis supprimée par le refroidissement nocturne, pour finalement rafraîchir le bâtiment. Les fenêtres et les verrières permettent à de large quantité d'air frais de rentrer dans le bâtiment et particulièrement si la ventilation à tirage thermique et/ou transversale peut être utilisée.

4 avantages supplémentaires du refroidissement nocturne :

• Une solution passive dans la plupart des bâtiments
• Réduction de la dépendance énergétique
• Émissions plus faibles de carbone avec moins de dépendance aux systèmes mécaniques
• Plus d'économies

L'efficacité de cette méthode de ventilation dépendra de la géométrie et des propriétés thermiques d'un bâtiment, ainsi que des températures extérieures et de la vitesse du vent. Le refroidissement par ventilation naturelle peut réduire et parfois remplacer le recours au refroidissement mécanique (climatisation).

Comment le refroidissement par ventilation naturelle peut-il être intégré à des bâtiments afin d'améliorer le confort thermique et être compatible avec une conception écologique ?

La ventilation naturelle est intégrée à l'étape de planification de la conception d'un bâtiment. Des protections solaires peuvent être ajoutées aux verrières et aux fenêtres de toit afin d'apporter un confort thermique supplémentaire, en limitant la quantité d'énergie solaire qui peut pénétrer dans le bâtiment. Les protections et le positionnement calculé des fenêtres et des verrières de toit permettent aux occupants de mieux gérer le confort thermique et de s'adapter aux changements de température.

Les verrières de toit peuvent comporter également un vitrage électrochrome. Ce verre intelligent permet de contrôler l'entrée de lumière, de chaleur, l'éblouissement, connecter les personnes avec l'extérieur et, dans le cas du nouveau siège social d'ACTIS, le leader européen de l'isolation réfléchissante, réduire la dépendance à la climatisation de 628 heures en une seule année.

Refroidissement par ventilation naturelle automatisé au sein d'une école de design

La Hessenwaldschule, en Allemagne, est l'exemple même d'une architecture contemporaine, très efficace au niveau énergétique. Au centre de l'école se trouve, un atrium à trois étages avec des verrières et des ouvertures sur le toit. La surchauffe estivale est évitée en utilisant la masse thermique dans des plafonds apparents et grâce au refroidissement nocturne automatisé, par le biais de panneaux sur la façade et de verrières modulaires d'aération dans l'atrium. Le résultat est ce que le doyen de l'école, Markus Bürger, décrit comme étant « un climat dans lequel chacun se sent bien, du fait d'une belle architecture, des conditions d'éclairage et d'une température agréable. »

Connexion interne et externe : entretien avec Alexander Vohl, associé de la Wulf Architekten GmbH pour la conception de la lumière naturelle et de l'air frais à la Hessenwaldschule.

Faut-il intégrer une stratégie de refroidissement passif ?

Les systèmes de refroidissement passif offre un bon environnement thermique pour les occupants d'un bâtiment et réduit la nécessité d'utiliser beaucoup d'énergie, comme ce qui arrive avec des systèmes de refroidissement mécaniques tels que la climatisation.

En 2050, l'exigence de refroidissement au niveau international dans les bâtiments tertiaires et commerciaux augmentera de 275 % (O' & Donovan, 2020). Ce qui conduira à une augmentation des demandes en climatisation et donc à une utilisation accrue de l'énergie et une augmentation des niveaux ce CO2. Le refroidissement par ventilation naturelle est un moyen fiable de réduire la demande en climatisation sans sacrifier le confort des occupants.

Comment garantir un bon confort thermique pour les occupants des bâtiments tertiaires et commerciaux grâce au refroidissement par ventilation naturelle ?

Lorsqu'il s'agit d'intégrer une stratégie de refroidissement par ventilation naturelle dans les plans de bâtiments tertiaires ou commerciaux, il faut prendre en compte plusieurs facteurs en ce qui concerne le confort thermique. Ces facteurs sont les suivants : le climat local (températures externes pendant le jour et la nuit), le nombre de jours d'ensoleillement par an, la vitesse du vent, etc. La future utilisation du bâtiment, la situation des fenêtres et des protections solaires éventuelles jouent aussi un rôle quand il s'agit d'intégrer une stratégie de ventilation naturelle efficace dans les plans de conception de bâtiments.

L'association de tous ces éléments clés avec une planification de conception éclairée et la sélection des produits, aura une incidence positive sur l'implantation réussie d'un refroidissement par ventilation dans un bâtiment.

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Sources

FAIA, 2019. Sustainable Workplaces for Human Health and Productivity, Global, FAIA.

O' Donovan, A. et al. 2021. Passive control strategies for cooling a non-residential nearly zeroenergy office: Simulated comfort resilience now and in the future, Cork: Elsevier.

Olesen, B,W 2010. Productivité et qualité de l'air extérieur, Université technique du Danemark.

Sterling, E & A The Impact of Different Ventilation Levels and Flourescent Lighting Types on Building Illness: An Experimental Study, Revue Canadienne de Santé Publique.