Choisir un système de ventilation intensive (free cooling)

Ventilation intensive mécanique ou naturelle ?

On peut envisager un système de ventilation intensive entièrement mécanique. La consommation électrique des ventilateurs risque cependant de compenser l’économie réaliser sur la machine frigorifique. Sans parler de l’encombrement des conduites. Ce type de système est équivalent à une climatisation « tout air » de type VAV qui valoriserait au maximum l’air extérieur non traité.

Concevoir

Pour plus d’infos techniques sur la conception des systèmes VAV

Selon les situations, les ventilations mécaniques et naturelles présentent chacune des avantages et/ou des inconvénients :

Coût d’investissement

Le free cooling, de jour comme de nuit, nécessite des débits de ventilation relativement importants. L’ installation de ventilation doit donc être dimensionnée pour gérer ces débits (conduits, ventilateurs, bouches, ….).

Si le bâtiment est déjà équipé d’un système de climatisation tout air ou si les débits de ventilation hygiénique sont importants (du fait de l’occupation, dans des salles de conférence, des auditoires, par exemple), un réseau mécanique ne représente peut-être pas un surcoût.

Par contre, lorsque la ventilation hygiénique est limitée, la possibilité d’organiser un free cooling mécanique entraîne un surdimensionnement, donc un surcoût important de l’installation.

Dans le cas d’une ventilation naturelle, si la réalisation d’un réseau de ventilation mécanique important est évitée, l’investissement pour organiser une ventilation naturelle n’est néanmoins pas nul. Des éléments particuliers doivent être prévus pour amener l’air dans le bâtiment sans risque d’effraction (grilles, fenêtres automatisées,…), éventuellement pour lui permettre de circuler (grilles de transfert, portes coupe-feu,…) et pour l’extraire (grilles d’extraction, cheminées,…).

Coût de fonctionnement

En ventilation naturelle, le transport de l’air s’effectue naturellement grâce aux différences de pression et/ou de température de l’air autour du bâtiment. Dans les systèmes de ventilation par effet de cheminée, un ventilateur d’extraction est parfois installé pour pourvoir au transport de l’air dans de mauvaises conditions climatiques. Pratiquement, ces ventilateurs sont peu ou pas utilisés.

En ventilation mécanique, le fonctionnement des ventilateurs pour le transport de l’air nécessite une énergie électrique non négligeable.

Par exemple, une étude réalisée sur un bâtiment du Sud de la France montre que la consommation des ventilateurs actionnés la nuit était similaire à la consommation des groupes frigorifiques en relance au matin en absence de free cooling (ceux-ci bénéficiant de l’efficacité frigorifique qui produit 2 à 3 kWh de froid pour 1 kWh au compresseur…).

Confort

En free cooling diurne naturel, l’amenée d’air frais directement dans les locaux peut se révéler inconfortable. Des solutions peuvent néanmoins être trouvées pour éviter cet inconfort, comme le montrent les trois exemples suivants réalisés dans des bâtiments anglais.

Exemples.

Dans le centre administratif de l’entreprise Powergen, l’air, en hiver, est introduit par les fenêtres hautes, et guidé, grâce à la forme particulière du plafond vers le centre du bâtiment. Le mélange de l’air frais extérieur avec l’air ambiant se fait donc sans inconfort.

Photo centre administratif de l'entreprise Powergen.

Dans le bâtiment environnemental du BRE, l’air de ventilation des bureaux paysagers parcourt des conduits intégrés dans le plafond, à température ambiante, avant de pénétrer le local au niveau du plafond. Il est donc légèrement réchauffé.

Powergen, schéma explicatif.

Powergen, schéma explicatif.

Enfin, dans le Queen’s building de l’Université De Monfort, l’air extérieur est introduit dans les auditoires au travers d’un absorbant acoustique et d’une batterie de préchauffe.

À cela s’ajoute le risque de sous-refroidissement du local et donc d’inconfort le matin, à l’arrivée des occupants, si les amenées d’air ne sont pas automatisées et refermées au cours de la nuit, quand le bâtiment est suffisamment refroidi.

En ventilation mécanique, lorsque l’on souhaite bénéficier de la fraîcheur de l’air extérieur, mais que celui-ci est trop froid pour être pulsé tel quel, il serait paradoxal de recourir à une batterie de chauffe. Une récupération de chaleur sur l’air extrait est alors tout indiquée. Éventuellement, un recyclage partiel de l’air extrait peut être envisagé.


Un ventilateur en renfort du tirage naturel : vers des systèmes hybrides ?

Pour renforcer le tirage lorsqu’il est trop faible ou pour limiter l’encombrement des cheminées de tirage naturel, il est possible d’organiser une pulsion forcée d’air frais extérieur : un extracteur est placé sur le sommet de la cheminée. Ici également, la température intérieure va fluctuer entre 21 et 25°C durant la journée, puisque le bâtiment stocke son froid la nuit et se réchauffe le jour. Mais au moins une garantie est donnée sur la réelle circulation de l’air.

Schéma de fonctionnement de la ventilation hybride dans les classes (École Tanga).


Disposer d’une masse thermique accessible

Le but de la ventilation nocturne est de refroidir la masse thermique du bâtiment durant la nuit et de diminuer ainsi les surchauffes en journée.

Ce sont les matériaux lourds de construction (béton, carrelage, …) qui constituent la principale masse thermique d’un bâtiment. En journée, ceux-ci absorbent les apports instantanés de chaleur (ensoleillement, …). Cette chaleur est restituée ensuite avec un décalage temporel, ce qui atténue fortement les hausses de température diurne dans le bâtiment. On parle d’inertie thermique du bâtiment. Prenons l’exemple d’une voiture. Celle-ci n’a aucune masse thermique. Dès que le soleil luit, la température intérieure monte très vite. À l’inverse, dès que le soleil disparaît, la température intérieure chute.

Évolution dans le temps de l’apport de chaleur dû à l’ensoleillement dans un local
avec ou sans inertie thermique : comparaison entre la chaleur instantanée transmise au travers du vitrage et la chaleur restituée au local.

Le but de la ventilation nocturne est de décharger au maximum, durant la nuit, la chaleur accumulée dans les matériaux du bâtiment et de permettre une forte absorption de chaleur durant la journée.
Pour que ce phénomène d’accumulation / restitution de chaleur soit possible, il faut :

  • D’une part, favoriser l’utilisation de matériaux de construction lourds pour assurer l’accumulation.
  • D’autre part, garantir le contact entre ceux-ci et l’air frais de ventilation pour évacuer la chaleur accumulée.

À défaut de quoi, on ne refroidirait que l’air ambiant du bâtiment, qui se réchaufferait au premier rayon de soleil (comme cela se passe dans une voiture …). Concrètement :

  • Au niveau du sol, le carrelage est préférable à la moquette, au plancher ou au faux plancher qui isolent par rapport à la masse du sol. …). Le passage des réseaux hydrauliques, électriques,informatiques… s’en trouve contrarié.
  • Au niveau des murs, des murs intérieurs en maçonnerie lourde absorbent nettement plus de chaleur que les cloisons légères. Mais des cloisons lourdes peuvent aller à l’encontre de la flexibilité souhaitée par un promoteur immobilier par exemple.
  • Au niveau des plafonds, l’emploi de faux plafonds est déconseillé.

La surface d’absorption manquante au plafond peut être fournie par les portes absorbantes acoustiques des armoires.

Exemple.

Les bureaux du bâtiment environnemental du BRE, par exemple, ne présentent pas de faux plafonds. La surface du plafond a même été augmentée artificiellement en lui donnant une forme sinusoïdale. L’énergie thermique stockée par le plafond est ainsi augmentée.

Phot des plafonds du bâtiment environnemental du BRE.

Cependant, les faux plafonds offrent d’importants avantages (coût par rapport à la finition d’un plafond « lourd », intégration des installations techniques, …) et permettent notamment d’améliorer l’acoustique des locaux. Un compromis peut être trouvé entre la fonctionnalité du faux plafond et la perte de masse thermique qu’il engendre. Il s’agit de plafonds semi-fermés comportant des ouvertures qui assurent un contact entre l’air intérieur et la structure du bâtiment.

Faux plafonds semi-ouverts permettant la circulation de l’air de ventilation.

Dans le centre administratif de l’entreprise Powergen en Angleterre, une autre solution a été utilisée pour assurer le confort acoustique : les « ailes » des éléments techniques suspendus (regroupant luminaires, détecteurs incendies, etc.) sont des absorbants acoustiques. La forme elliptique des creux du plafond focalise les ondes sonores vers ces absorbants.

Théories

Pour plus d’informations sur l’évolution thermique d’un local type sans inertie, cliquez ici !


Gérer la fluctuation inévitable de la température intérieure

Choisir un rafraichissement par ventilation intensive sans appoint d’une machine frigorifique implique inévitablement des fluctuations de température dans le bâtiment.

En été, le bâtiment est un réservoir « tampon », qui est « vidé de sa chaleur » la nuit jusqu’à atteindre 21°C, et dont la température augmente progressivement en journée jusqu’à 25°C. S’il fait plus de 25°C à l’extérieur, l’occupant doit vivre dans son local sans ouvrir la fenêtre, et se baser sur le « capital froid » emmagasiné durant la nuit.

En outre, il ne faut pas sous-refroidir le bâtiment, pour ne pas créer d’inconfort lors de l’arrivée des occupants, le matin. Une régulation automatique du free cooling s’impose si les utilisateurs ne peuvent assurer la gestion manuelle.

Dans tous les cas, les fluctuations de température doivent rester dans les plages de confort tolérées par le maître d’ouvrage. Or, dans un bâtiment se basant sur un système de reoifridissement par ventilation, l’approche du confort n’est pas la même que dans un bâtiment climatisé. La norme NBN EN 15251 donne à ce titre des indications utiles.

Pour en savoir plus :

Théories

Le confort thermique.

Réglementations 

La norme NBN EN 15251.