Bien concevoir et dimensionner son système de ventilation naturelle…
Nos bâtiments rendus imperméable à l’air que ce soit en rénovation ou en construction, il devient impératif que les équipements de ventilation, naturelle ou hybride soient conçus, dimensionnés et mis en œuvre dans le respect des règles communes afin d’atteindre les objectifs de débits hygiéniques.
Première étape : Aide à la décision ; approche générale
Les interactions et impacts des éléments caractéristiques du système de ventilation, la configuration du bâtiment et les paramètres sensibles (pertes de charge, température, vitesse de vent, % d’assistance...) sont présentés et ordonnés dans un logigramme d’aide à la décision.
Deuxième étape : Exemple d’application Un exemple d’application par l’utilisation du logiciel DimVNHy® donne une approche concrète d’un dimensionnement réalisé pour un bâtiment collectif d’habitation de type R+4.
Sur la base de l’application de l’arrêté du 24 mars 1982, article 3 : « Les dispositifs de ventilation, qu’ils soient mécaniques ou à fonctionnement naturel, doivent être tels que les exigences de débit extrait [...] soient satisfaites dans les conditions climatiques moyennes d’hiver ».
Comme point de départ théorique pour le dimensionnement, l’AVEMS recommande l’utilisation d’une règle générale de base fixant les hypothèses de dimensionnement ci-dessous. Ces dernières sont définies sur l’étude du fichier météo de Trappes (fichier météo de référence pour les Avis Techniques) pendant la période de chauffe s’étendant du 1er octobre au 30 avril.
Conditions moyennes d’hiver :
Température 50% des occurrences = 6,65°C ; moyenne arithmétique = 7,06°C.
Vitesse de vent 50% des occurrences =3 m.s-1 ; moyenne arithmétique = 3,28 m.s-1.
Recommandations AVEMS (éléments de base pour le pré-dimensionnement)*
• Température extérieure de référence = 7°C
• Vitesse de vent de référence = 3. m.s-1
* S’agissant de recommandations générales pour un dimensionnement de base, en complément de cette première étape, le dimensionnement du système de ventilation naturelle et/ou ventilation hybride nécessite un calcul des débits suivant un fichier météorologique adapté au projet étudié.
La variation des paramètres sensibles aura un impact direct sur le temps de fonctionnement de l’assistance et/ou le dimensionnement des conduits. Cette option est automatiquement proposée par le logiciel DimVNHy® si les débits ne peuvent être atteints, en tout ou partie, selon les hypothèses recommandées ci-dessus.
L’objectif principal étant de trouver un équilibre entre l’exploitation des conditions météorologiques et le temps d’utilisation de l’assistance (bascule entre ventilation naturelle et ventilation hybride).
La conception dès l’avant Projet…
À ce stade, il faut choisir entre une solution de ventilation naturelle et une solution de ventilation hybride selon le type et l’usage prévu pour votre bâtiment. Ce choix est essentiellement lié à la valeur de renouvellement d’air nécessaire. Le processus de décision est présenté Figure 7.1.
Le prédimensionnement des conduits et le choix des options telles que le mode de régulation et la technologie du système, sont des éléments importants qui interviendront en APD (Avant-Projet Détaillé).
Impact sur l’approche architecturale :
Le choix de cette solution va orienter l’approche architecturale de la conception du bâtiment. La situation géographique, les conditions météo, l’orientation, sont des paramètres sur le fonctionnement de la ventilation naturelle.
Dans le bâtiment, le dimensionnement des conduits va déterminer leur encombrement. L’implantation des conduits de ventilation va influer sur le positionnement et la superposition des pièces techniques de même usage (cuisines, salles de bains, WC).
Une approche architecturale par l’empilement de logements ou de pièces techniques identiques permet de simplifier l’implantation des conduits de ventilation naturelle.
En toiture, il est nécessaire de prévoir la création de souche(s) pour l’émergence des conduits de ventilation. Ces souches pourront être coiffées par des extracteurs pour un fonctionnement en ventilation hybride et naturelle.
Le dimensionnement…
Le dimensionnement complet d’une installation de ventilation naturelle et ventilation hybride par conduit peut être réalisé conformément à la norme NF EN 15242 et au projet français complémentaire sur les conduits shunts (NF E 51-766). Cette méthode est à l’origine du logiciel de dimensionnement de la ventilation naturelle DimVNHy®.
Cependant, lorsque les conditions climatiques de dimensionnement sont déterminées, il reste à équilibrer forces motrices et résistives pour obtenir le débit souhaité. Plusieurs paramètres liés aux composants peuvent agir et créer des pertes de charge, c’est pourquoi il est recommandé ici un prédimensionnement par défaut de ces composants qui permettra ensuite, plus facilement, par le calcul complet, de valider les débits obtenus.
Pour mener à bien le projet, il est nécessaire de déterminer les données à intégrer dans le logiciel DimVNHy®, associé à ce guide, avec des recommandations de prédimensionnement.
L’objectif concernant l’aération des logements est d’atteindre les objectifs stipulés dans l’arrêté du 24 mars 1982, « Aération des logements », en termes de débits d’air à atteindre pour les logements neufs en période hivernale moyenne.
En réhabilitation, il est obligatoire de respecter à minima la réglementation en vigueur lors de la construction et si possible de passer en ventilation générale et permanente, conformément aux objectifs définis dans des guides de recommandations.
Il est recommandé d’utiliser les cahiers des charges des fabricants pour définir les prescriptions en fonction du système de ventilation choisi.
Données climatiques…
Le calcul intègre :
• la température extérieure (Text)
• le vent (vitesse et orientation par rapport aux façades / Vvent)
• la protection du bâtiment (zone rurale ouverte, zone périurbaine protégée par des bâtiments de faible et moyenne hauteur, zone urbaine plus protégée)
Les données climatiques de températures extérieures doivent être corrigées avec l’altitude ; dans le logiciel DimVNHy®). On pourra par exemple utiliser la règle issue du règlement thermique (Tableau 2 : Exemple de correction de la température de dimensionnement en fonction de l'altitude):
Exemple de correction de la température de dimensionnement en fonction de l'altitude selon la démarche RT2005.
|
T°C Réf.* |
Altitude |
Correction |
|
7°C |
inférieure ou égale à 400 m |
0 °C |
|
supérieure à 400 m et inférieure ou égale à 800 m |
-2°C |
|
|
supérieure à 800 m |
-4°C |
Configuration du bâtiment
Le calcul intègre :
• la géométrie du bâtiment
• l’exposition des façades et effets de masque
• la hauteur des émergences et la forme du toit
• la hauteur des entrées d’air et des fuites de chaque logement (perméabilité)
• la température intérieure des logements
• la section des bouches installées sur chaque conduit
• les passages de transit
Pour chaque façade :
• son exposition au vent selon l’orientation de celui-ci (il est recommandé de dimensionner sans vent et de n’intégrer ce dernier que pour des calculs énergétiques ou QAI).
• la présence d’éventuels obstacles masquants
• la largeur de façade
• la hauteur et section des entrées d’air
NOTA : Les entrées d’air et la perméabilité sont à considérer façade par façade pour le calcul. La perméabilité n’étant connue qu’en valeur globale, elle est à répartir au prorata des surfaces des murs. Dans le logiciel de dimensionnement DimVNHy®, 2 types de façades sont prises en compte :
• façade exposée
• façade sous le vent
Force motrice disponible
La force motrice (chapitre 4) disponible se calcule en fonction des effets du tirage thermique et de l’impact du vent sur les différents organes du bâtiment. En approche par fichier météorologique, l'assistance sera utilisée en complément des forces motrices naturelles.
Le tirage thermique dépend essentiellement de la hauteur du bâtiment et de la différence entre température extérieure et intérieure.
Pertes de charge
Tous les composants de ventilation entrant dans le cheminement de l’air sont à considérer pour calculer les pertes de charge :
• Entrées d’air
• Passage de transit
• Bouches d’extraction
• Conduit shunt (dimensions et rugosité)
• Sortie toiture (hauteur du débouché, raccord...)
• Extracteur (coefficient de perte de charge, coefficient d’aspiration Cext)
Calcul du débit extrait
Le calcul des débits extraits se fait sur le principe d’un équilibre des débits entrants et sortants dans chaque logement et d’un équilibre entre la force motrice disponible et les pertes de charge de l’installation. Les équations de ces calculs sont décrites dans la NF EN 15242.
Le calcul défini suivant la norme est résolu par le logiciel DimVNHy®.
Débits et foisonnement
L’objectif est de dimensionner les conduits et composants pour obtenir :
•le débit nominal (minimum) sans assistance selon les données climatiques définies dans le chapitre 7.3 Données climatiques
• le débit de pointe foisonné avec assistance
Le foisonnement est le fait de considérer que toutes les bouches de cuisine d’un même conduit ne sont pas simultanément actionnées en grand débit, lorsqu’elles sont temporisées ou asservies. Le pourcentage d’utilisation simultanée du grand débit diminue avec le nombre d’étages desservis par une même colonne.
Il permet une prise en compte plus adaptée du débit total à extraire pour dimensionner le réseau et l’apport de l’assistance en ventilation hybride.
Pour calculer le taux de foisonnement, se reporter soit au CPT (Cahier des Prescriptions Techniques) disponible auprès du CSTB soit aux Avis techniques ou ATEx (Appréciations Techniques Expérimentales) des systèmes.
Paramètres sensibles
Il convient de s’assurer que le dimensionnement envisagé permet d’obtenir les débits souhaités, sinon il faut ajuster les paramètres sensibles selon deux stratégies possibles :
• réduire les pertes de charge : en augmentant la section du conduit, celle des bouches ou celle des entrées d’air
• recourir davantage à l’assistance en modifiant la température de délestage
La gestion des paramètres sensibles pour l’optimisation du dimensionnement des conduits est réalisable en utilisant le logiciel DimVNHy®.
Choix de régulation
Le système de régulation doit être conçu de façon à optimiser les consommations d’énergie tout en assurant des conditions de confort acceptables via un ou des capteurs.
Types de capteurs possibles
a) Capteurs dans le bâtiment
• Température
Les capteurs de température dans le conduit sont fiables et peu chers. Les capteurs de température de surface existent mais il n’y a pas encore assez de retours d’expériences.
• CO2
La mesure du CO2 est un indicateur de confinement de l’air.
• Infrarouge Les détecteurs de présence sont fiables et peu chers. Ils sont faciles à tester et peuvent aussi être utilisés à d’autres fins par exemple pour le contrôle de l’éclairage. Seuls des capteurs susceptibles de détecter une occupation (faibles mouvements) doivent être employés.
• Vitesse d’air Les sondes de vitesse d’air sont utilisées pour mesurer le débit d’air dans les conduits. Ces capteurs sont assez chers et nécessitent un nettoyage et un étalonnage réguliers.
Remarque concernant les COV (Composés organiques volatils) : Les COV sont des indicateurs de la Qualité de l’Air Intérieur (QAI). Il y a peu de retours d’expérience sur ces capteurs. Il faut considérer ce qu’ils mesurent (en général certains COV), la façon dont il faut les étalonner et la manière de les combiner avec d’autres mesures (souvent CO2).
b) Capteurs en toiture (station météo)
• Température extérieure : Capteurs fiables et peu chers. Le problème est souvent de trouver un endroit pour les installer là où la température ne peut être influencée par le rayonnement du bâtiment ou du soleil.
• Vent : La vitesse du vent est mesurée avec un anémomètre et la direction du vent est mesurée avec une girouette.
• Pression : Ces capteurs sont difficiles à maîtriser en ventilation naturelle du fait des très faibles pressions motrices en jeu. Il est préférable d’avoir ce type de capteur proche des ventilateurs ou autres éléments assurant la dépression.
• Rayonnement solaire : Ces capteurs n’ont pas besoin d’être très précis pour un contrôle. Un capteur en partie haute de chaque façade principale est suffisant.
Fonctionnement de la régulation
On peut distinguer 2 types de régulation :
a) La régulation par les composants : Elle adapte le débit en fonction des conditions intérieures au logement et/ou de l’activité humaine. La régulation par les entrées d’air et les bouches d’extraction n’est pas nouvelle. Les systèmes autoréglables et hygroréglables en sont l’illustration et font référence en termes de fiabilité et de résultat. Ces dernièrs sont les plus couramment rencontrés mais d’autres types de régulation peuvent exister.
b) La régulation par le système :
Les systèmes actuels de ventilation hybride en application pour le logement bénéficient de coffrets d’alimentation et de pilotage relativement simples à mettre en œuvre et à maintenir. Ils régulent suivant un ou deux paramètres :
• température de consigne
• vitesse de vent de consigne Pour activer le passage en débit de pointe, la régulation peut également être couplée avec une horloge pour passer en mode mécanique pendant des plages horaires quotidiennes prédéfinies.
Ces deux paramètres sont définis dans les systèmes proposés par les industriels et sont à intégrer dans le logiciel pour les calculs de débit extrait. Ils utilisent le plus souvent des moyens d’interface homme / machine afin de faciliter la compréhension du fonctionnement.
Sur-ventilation
La sur-ventilation nécessite des débits très importants (2 à 5 Vol/h). Cela entraîne des sections d’entrées d’air et de bouches d’extraction plus grandes qu’en débit hygiénique. Par ailleurs, la sur-ventilation nécessite la nuit, le passage d’air par les fenêtres.
Il faut donc poser des protections solaires du type persiennes, pour que l’air puisse passer (tout en respectant l’anti-intrusion et le confort visuel) ou prévoir des ouvertures. On peut cependant noter que le confort thermique en hiver est un peu moins bon avec ce type de protections.
La sur-ventilation constitue une solution de rafraîchissement pour un confort d'été sans climatisation, basée sur un apport d'air frais extérieur. Elle permet d’évacuer la chaleur et de rafraîchir les locaux lorsqu’elle est pratiquée aux heures où la température extérieure est inférieure à la température intérieure et lorsque l’inertie thermique du bâtiment est suffisante.
Confort sensoriel
La mise en place d’un système de ventilation permet d’obtenir une bonne qualité d’air pour préserver la santé et améliorer la pérennité du bâti. En complément, les systèmes de ventilation doivent assurer le confort sensoriel des occupants. Ces aspects doivent être pris en compte depuis l'élaboration du projet jusqu'à l'utilisation du système par les occupants en intégrant les paramètres suivants :
• les bruits venant de l’extérieur
• le bruit transmis par le réseau
• le bruit propre des ventilateurs
• la propriété d’encrassement des produits
• l’esthétique des produits selon leur destination et application
• le niveau de technicité du produit pour l’utilisateur
• l’ergonomie pour une utilisation pratique
Des solutions acoustiques existent et permettent en général de bien atténuer et limiter les bruits.
Pour traiter l’encrassement des produits (pouvant rendre les produits inesthétiques, déficients et insalubres), il convient de bien prévoir et vérifier leur entretien (pouvant être réalisé soit par une entreprise, soit par l’occupant selon le niveau de technicité). Certaines matières ou même la façon de placer le canal de diffusion ou d’aspiration de l’air peuvent modifier les propriétés d’encrassement des produits.
Aide au Pré dimensionnement des composants
Cette partie donne des exemples de prédimensionnement appliqués aux bâtiments d’habitation.
Prédimensionnement des entrées d’air
Les entrées d’air sont caractérisées par leur « module M » correspondant au débit du composant exprimé sous 20 Pa. En ventilation naturelle ou en ventilation hybride, on examinera la section de passage d’air qui en résulte (ou équivalence sous 10Pa).
La formule utilisée pour trouver la section équivalente d’un module (sous 20Pa) est la suivante : S= M/√2 ou Mx 0,707
Par exemple, un module 45 a une section de passage d’air de 32 cm2, soit un débit d’environ 32 m3/h sous 10 Pa.
a) Répartition des entrées d’air
Chaque pièce principale doit être équipée d’au moins une entrée d’air. Cette disposition vise à respecter le principe de ventilation générale et permanente du logement (voir Figure 3.1 : Ventilation générale et permanente).
Dans le cas où une, ou des entrées d’air additionnelles sont prévues dans les pièces de service, des dispositions doivent être prises pour assurer leur obturation automatique en régime réduit d’extraction.
Le Tableau donne des exemples de répartition des entrées d’air (à pleine ouverture pour les produits modulants) en ventilation naturelle (sans présence d’appareil gaz dans le logement).
En présence d'appareils à combustion non étanches, le respect des arrêtés relatifs à l'aération des logements du 22 octobre 1969 ou du 24 mars 1982 modifié le 28 octobre 1983 suffit à assurer leur alimentation en air. En présence d'appareils gaz raccordés sur conduit, il convient de s'assurer que la somme des modules des entrées d'air vérifie les 2 relations suivantes:
• somme des modules au moins égale à 6,2 x Pu (Pu étant la somme des puissances utiles maximales en kW des appareils gaz raccordés)
• somme des modules au moins égale à 90 En cas d'entrée d'air modulante, il conviendra que le débit d'air de combustion puisse toujours être fourni à l'appareil.
Il est recommandé d'utiliser les cahiers des charges des constructeurs validés par un organisme de contrôle et/ou les avis techniques des systèmes.
Tableau de répartition entrées d'air :
|
Type de logement |
Entrées d'air séjour |
Entrées d'air par chambre |
|
T1 |
2 x Module 45 |
|
|
T2 |
2 x Module 45 |
1 x Module 45 |
|
T3 et + |
2 x Module 45 |
1 x Module 45 |
b) Cas des entrées d’air montées en série (loggia fermée)
En présence d’une loggia fermée, il convient de mettre en place des entrées d’air « transitoires » entre la loggia et l’extérieur, et entre les pièces adjacentes et la loggia (Figure 7.3). Le module de ces entrées d’air « transitoires » est donné dans les 2 dernières lignes du Tableau 4. La première ligne correspond au module résultant de ce transit.
Tableau de module des entrées d’air en série :
|
Module résultant |
30 |
45 |
60 |
90 |
|
Somme des modules entre la loggia et l’extérieur |
45 |
60 |
90 |
120 |
|
Somme des modules entre l’intérieur et la loggia |
45 |
60 |
90 |
120 |
Prédimensionnement des bouches d’extraction
Selon les objectifs de débits nominaux fixés par les articles 3 et 4 de l’arrêté du 24 mars 1982 « Aération des logements », les débits à atteindre, en conditions moyennes d’hiver, dans les pièces techniques des logements neufs sont définis dans le Tableau ci-dessous.
Toutefois, pour les systèmes modulants, les débits à extraire peuvent être réduis selon leurs Avis Techniques.
Tableau des débits hygiéniques :
|
Type de logement |
Bouche cuisine |
Bouche SdB |
Bouche WC |
|
T1 |
20 m3/h |
15 m3/h |
15 m3/h |
|
T2 |
30m3/h |
15 m3/h |
15 m3/h |
|
T3 |
45 m3/h |
30 m3/h |
15 m3/h |
|
T4 et + |
45 m3/h |
30 m3/h |
30 m3/h |
Passages de transit
Les passages de transit permettent à l’air de circuler des pièces principales vers les pièces de service ; les dimensions données dans le Tableau correspondent à des valeurs minimales.
Tableau de passage de transit :
|
Passage de transit |
Section en cm2 |
|
Toute porte à l’intérieur du logement |
120 |
|
Porte de la cuisine |
180 |
|
Porte donnant dans une pièce avec un appareil à gaz |
250 |
Conduits horizontaux
Pour une application en ventilation naturelle ou ventilation hybride, il est nécessaire de limiter les pertes de charge au maximum en évitant si possible l’utilisation des coudes, dévoiements.
Les limites d’utilisation d’un conduit horizontal de raccordement peuvent être déterminées :
• soit par calcul (nous recommandons que la perte de charge du conduit horizontal soit inférieure à 1,5Pa pour le débit nominal prévu),
• soit par une règle conventionnelle présentée ci-dessous
Ce tableau de dimensionnement donne les longueurs maximales admissibles pouvant être mises en œuvre en fonction de la section du conduit et du débit à extraire. Un coude est considéré comme une longueur droite de 6 mètres. Les longueurs indiquées sont données en mètres.
Toutefois, certains conduits ont été développés spécifiquement pour la ventilation naturelle et la ventilation hybride et permettent de diviser par 2 les pertes de charge des différents types de coude.
Tableau de dimensionnement conduit horizontal :
|
Section en cm2 |
Débit = 30 m3/h |
Débit = 60 m3/h |
|
80 |
6 |
/ |
|
120 |
15 |
5 |
|
180 |
40 |
10 |
|
240 |
50 |
20 |
Conduits collectifs
Pour chaque conduit collectif, il faudra considérer :
• sa forme et sa section (partie individuelle et partie collective)
• sa rugosité (calcul des pertes de charge)
• les formes des piquages et raccordements (pertes de charge singulières)
Pertes de charge linéiques
Quelques valeurs de rugosité données à titre informatif par l’AICVF :
Tableau de valeur de rugosité :
|
|
Tôle |
Fibre de verre |
Plastique, PVC |
Maçonnerie ordinaire |
|
Rugosité absolue (μm) |
50 à 160 |
90 à 450 |
10 à 50 |
96 à 192 |
NOTA : Si des joints ou raccordements sont présents, ils peuvent conduire à des valeurs supérieures.
