La ventilation intensive d’été, souvent appelée “free cooling” consiste à refroidir un bâtiment par ventilation en utilisant l’énergie gratuite de l’air extérieur lorsque celui-ci présente une température inférieure à la température intérieure :

• En hiver, de l’air frais extérieur peut alimenter, en journée, les zones à rafraîchir sans nécessiter l’enclenchement des groupes frigorifiques.
• En été, une ventilation nocturne peut décharger le bâtiment de la chaleur accumulée en journée.

Selon le moment de la journée, on parle de free cooling de jour ou de nuit :

• Le free cooling diurne consiste à surventiler les locaux avec de l’air extérieur plus frais que l’air intérieur. La capacité frigorifique de l’air extérieur étant faible, de grands débits d’air sont nécessaires.
• Le free-cooling nocturne consiste à rafraîchir les bâtiments la nuit grâce à de l’air extérieur. On parle de “décharge nocturne” du bâtiment puisqu’il évacue toute la chaleur excédentaire accumulée en journée.

On distingue une ventilation intensive naturelle ou mécanique, selon que le mouvement d’air soit généré par des forces naturelles (poussée d’Archimède ou force du vent) ou par un ventilateur.

Il faut également distinguer le débit d’air neuf hygiénique, du débit d’air de rafraîchissement d’un local :

• La ventilation hygiénique ou permanente assure la qualité de l’air. Elle vise globalement les 30 m³/h d’air neuf nécessaires par personne (RGPT). Dans un bureau, cela entraîne un renouvellement horaire de 1 x par heure, puisque chaque occupant occupe +/- 10 m² au sol, et donc un volume de 30 m³.

Grille d’apport d’air hygiénique naturel … ou réseau d’air pulsé.

• Le refroidissement naturel d’un local (ou free cooling) sous-entend un taux de renouvellement minimum de l’air du local de 4/heure. Un taux de 6/heure sert souvent de base de dimensionnement et 8 renouvellements/heure sont couramment rencontrés. Ceci génère des débits nettement plus importants que ceux gérés par un réseau de ventilation hygiénique, donc des ouvertures plus importantes, … au point que l’on parle d’ouverture de fenêtres spécifiques en façades, et plus d’aérateurs de châssis !

On parlera de ventilation intensive naturelle si l’on valorise un “moteur naturel” pour le déplacement d’air :

• Soit un tirage par cheminée verticale. L’air entre par des ouvertures en façade. À noter que ceci peut créer des contraintes de conception suite aux critères de protection incendie qui exigent eux de compartimenter les étages, ce qui implique soit que les transferts d’air entre étages soit obturables automatiquement (portes coupe-feu à fermeture automatique, si on utilise la cage d’escalier comme conduit d’extraction intensive, clapets coupe-feu), soit que chaque étage dispose de sa propre évacuation vers la toiture.. En rénovation également, cette solution demande des aménagements importants de la structure du bâtiment (perçage de chaque plancher, …).

En façade Sud, l’effet de tirage thermique des cheminées est renforcé
par des blocs de verre chauffés au soleil.

L’ouverture des grilles de ventilation peut être manuelle …

Vue intérieure et extérieure.

…ou motorisée.

Ouvertures dans les locaux et en sous toiture.

• Soit un tirage par ventilation transversale, d’une façade à l’autre. L’ouverture des portes intérieures peut créer des problèmes acoustiques et des courants d’air inconfortables, si bien que c’est souvent conçu en tant que free cooling de nuit. Des ouvertures par grilles ou impostes au-dessus des portes sont aussi possibles. Il importe donc, pour la réussite totale du refroidissement nocturne, que les occupants soient clairement informés de leur rôle dans la gestion du confort.

L’air se déplace principalement grâce aux pressions
et dépressions exercées sur les façades par le vent.

Ici, à côté de chaque fenêtre du couloir, un panneau de bois peut être ouvert pour créer une circulation d’air transversale (vues intérieures et extérieures du bâtiment).

Le taux de renouvellement d’air obtenu en ventilation transversale varie de 7 à 23 [vol/h].

On peut montrer également que la ventilation transversale sous-entend une largeur de rue suffisamment élevée. En pratique, il est souhaitable que le rapport hauteur du bâtiment/largeur de la rue soit inférieur à 0,65. À défaut, le vent “passe au-dessus des toits” et ne met pas en surpression la façade contre le vent et en dépression la façade sous le vent. Seuls quelques tourbillons sont ressentis dans la rue (“skimming flow”). Le moteur du déplacement d’air devient alors trop faible.

Bien sûr, tout dépend de la vitesse du vent. Ainsi, un vent de 4m/s en station météo, va générer un vent de 2m/s au faîte des toits en site urbain. Dans ce cas, on peut avoir un ratio hauteur sur largeur de 1,5. Mais il s’agit là du vent moyen au centre du pays. Donc dans 50% du temps, si le rapport hauteur sur largeur est de 1,5, le transfert d’air sera insuffisant.

On pourrait montrer également que l’orientation du bâtiment influence l’efficacité de ce système. En effet, les vents dominants étant du Sud-Ouest dans nos Régions, l’axe de la rue ne devra pas être SO-NE, car alors les vents seraient parallèles aux façades…

• Soit un free-cooling naturel individualisé : dans chaque local, des fenêtres (une en partie haute et une en partie basse) munies de grilles s’ouvrent automatiquement, en fonction de l’écart entre la température intérieure et extérieure. Un refroidissement naturel de chaque local est possible, sans extraction par une cheminée commune. Mais les débits de refroidissement restent limités.

L’air chaud migrant vers l’extérieur en partie haute des ouvertures
et l’air frais pénétrant en partie basse (débits d’air limités par cette méthode).

Types d’amenée d’air naturelle

Pratiquer un free cooling naturel de nuit implique la création d’ouvertures d’amenée d’air naturelle de taille importante. Il faut, par exemple, dans le cas de la ventilation transversale d’un bureau de 20 m², une ouverture de 0,4 m² (exemple : 63 x 63 cm).

De telles ouvertures ne peuvent augmenter les risques d’effraction du bâtiment ou de pénétration de pluie.

Il existe sur le marché des systèmes répondant à ce critère :

• Les châssis basculants : ils sont étanches à la pluie et protègent assez bien le bâtiment de l’intrusion, pour autant que l’on ne puisse accéder à un mécanisme d’ouverture voisin. Ils peuvent être commandés manuellement ou automatiquement.

Calcul de la surface d’ouverture “A” d’un châssis oscillant
	A = A1 A2 / A1 + A2 A1 = B x H A2 = D x (H + B)

• Des grilles fixes que l’on peut disposer par l’intérieur dans les châssis ouvrants : elles permettent une ventilation intensive par ouverture complète des fenêtres sans risque d’effraction et d’intrusion de pluie. Ces grilles, fabriquées sur mesure, peuvent être facilement placées en été et retirées en hiver, selon les besoins de refroidissement nocturne du bâtiment.

• Des grilles fixes extérieures placées devant des châssis opaques : ce système permet une ventilation intensive par ouverture complète des ouvrants intérieurs sans risque d’effraction et d’intrusion de pluie.

Types d’extraction d’air

• Des grilles ou fenêtres du même type que les ouvertures d’amenée d’air.
• Des fenêtres en toiture commandée automatiquement.

Exemple, centre administratif de l’entreprise Powergen, fenêtres automatiques pour l’extraction de l’air en partie supérieure de l’atrium.

Exemple, Queen’s building de l’Université De Monfort, fenêtres automatiques pour l’extraction de l’air en toiture.

• Des cheminées.

Exemple, Queen’s building de l’Université De Monfort, cheminées d’extraction d’air de ventilation.

Exemple, bâtiment environnemental du BRE, cheminées d’extraction d’air de ventilation : la paroi en briques de verre favorise le réchauffement de l’air à extraire, et améliore le tirage.

L’efficacité du free cooling nocturne est limitée. Des simulations réalisées dans le cadre du projet de recherche NatVent ont permis d’évaluer l’efficacité à attendre :

On en déduit les conditions de réussite :

• L’inertie thermique du bâtiment est suffisante (structure du plafond accessible, murs en maçonnerie).
• La ventilation intensive est transversale (ouvertures sur des façades opposées) ou assistée par un ventilateur vertical, la ventilation intensive avec des ouvertures sur une seule façade ne fonctionnant que pour les immeubles à forte inertie thermique.
• Les ouvertures de ventilation sont équivalentes à minimum 2 % de la surface des locaux, 1 % étant insuffisant et 3 % accentuant les risques d’effraction.
• Les occupants sont disciplinés dans la gestion des ouvertures de ventilation intensives (ouverture des portes et fenêtres) lorsqu’elles sont manuelles. Dans le cas contraire, les ouvertures doivent être commandées automatiquement.

  

  Fenêtre à ouverture automatique
  développée dans le cadre du projet NatVent.

• Les apports internes sont limités à 22 – 26 W/m² pour un immeuble à inertie thermique moyenne et 27 – 32 W/m² pour un immeuble à forte inertie thermique. Ceci implique l’utilisation d’équipements (éclairage, bureautique) énergétiquement efficaces
• Les apports solaires sont limités par des protections solaires efficaces (protections extérieures).