5 critères à prendre en compte pour la conception de la ventilation naturelle et de la ventilation hybride

Quelques questions auxquelles nous répondrons

1. Quel est le volume du flux d’air par temps froid ?

    

2. Combien de fois et pendant combien de temps faut-il ouvrir l’ouvrant par heure par temps froid ?

    

3. Comment puis-je déterminer la surface d’ouverture effective d’un ouvrant ?

    

4. Comment puis-je évaluer les besoins d’une zone de ventilation en termes de surface d’ouverture effective ?

1. Climat extérieur du bâtiment

Dans notre blog précédent sur le climat extérieur et le potentiel pour la ventilation naturelle, nous avons expliqué comment la géographie, la température et le taux d’humidité relative peuvent affecter la fréquence d’utilisation de la ventilation naturelle dans un bâtiment.

Voici les principaux points à retenir de ce blog :

• Notre expérience montre que de nombreux sites situés en dehors des zones climatiques tempérées peuvent utiliser une solution de ventilation naturelle pendant environ 60 à 70 % du temps.
• Dans le cas des zones climatiques non tempérées, il est possible de recourir aussi bien à une ventilation purement naturelle qu’à une ventilation hybride. La ventilation hybride peut être une solution efficace pour un apport d’air frais dans le bâtiment sans compromis en matière de confort.
  
  
• Les solutions de ventilation naturelle en dehors des zones climatiques tempérées sont normalement employées en plus d’une solution de ventilation mécanique.

2. Bruit et pollution extérieurs

Lorsque vous envisagez une ventilation naturelle ou une ventilation hybride par les fenêtres ou d’autres ouvertures du bâtiment, vous et vos clients pouvez être préoccupés par les problèmes potentiels liés au bruit et / ou à la pollution. Dans de nombreux cas, les sources de bruit et de pollution sont les mêmes et les stratégies visant à les réduire sont également souvent communes.

Heureusement, de nombreuses méthodes permettent de réduire le bruit extérieur.

Voici 4 solutions que nous employons souvent :

Installation des ouvertures à l’écart de la source
En fonction de la conception du bâtiment, nous avons constaté qu’il est judicieux de positionner les ouvertures de la ventilation naturelle à l’écart de la source de bruit. Cela s’effectue en positionnant les ouvertures à un niveau vertical plus élevé, en direction d’une cour intérieure ou d’une route moins fréquentée.

Techniques visant à réduire le bruit
Une autre méthode qui permet de résoudre les problèmes liés au bruit dans les bâtiments consiste à aménager les ouvertures de manière à réduire le bruit. L’ajout d’une isolation réduisant le bruit est également une option qui fonctionne très bien.

Les mesures de réduction du bruit peuvent sembler complexes, mais le sont pas forcément. Nous avons une expérience directe des projets où une amenée d’air  avec réduction du bruit a été conçue en collaboration avec des spécialistes du son. L’astuce consiste à minimiser la chute de pression dans l’ouverture en combinaison avec l’atténuation. Vous pouvez également compléter votre solution par une extraction mécanique si la perte de pression devient trop importante dans l’amenée d’air.

Façade double peau
Il s’agit d’une technique de construction classique, qui permet de résoudre les problèmes liés au bruit extérieur tout en offrant d’autres avantages pour le bâtiment. Une façade double peau peut permettre de protéger la solution de protection solaire et l’enveloppe du bâtiment. Elle peut également protéger le bâtiment de l’exposition directe au vent et à la pluie.

Utilisation de la ventilation hybride
Une autre approche consiste à alterner entre une ventilation naturelle et une ventilation mécanique. Par exemple, la ventilation naturelle est utilisée lorsque les conditions extérieures le permettent, mais la ventilation mécanique peut prendre le relais lorsque les niveaux de bruit extérieur sont plus élevés.

Réduction de la pollution grâce au positionnement des ouvertures

Deux stratégies peuvent être employées :

1. Installation des ouvertures à l’écart de la source
2. Ventilation hybride avec capteurs de pollution

Si le bâtiment se trouve dans une zone densément peuplée, plusieurs éléments sont à prendre en compte afin de choisir la position des ouvertures du bâtiment. Notre expérience a montré qu’il n’est pas nécessaire que le bâtiment soit très éloigné des rues très fréquentées ou que les ouvertures soient particulièrement élevées au-dessus du niveau de la rue pour que l’air soit nettement plus propre et que les ouvertures pour une ventilation naturelle soient tout à fait acceptables.

Si le bâtiment se situe juste à l’extérieur du centre-ville ou à une plus grande distance d’une route très fréquentée, aucune précaution particulière n’est normalement nécessaire.

Comme pour la réduction du bruit, les ouvertures des bâtiments peuvent également être positionnées vers les cours intérieures ou dans la partie supérieure du bâtiment. Vous pouvez également prévoir une solution de ventilation hybride avec des capteurs de pollution. Lorsque les niveaux de pollution sont élevés, les ouvertures se ferment et la ventilation peut être assurée par les systèmes mécaniques.

3. Quelle est la destination ou la fonction principale du bâtiment ?

Après avoir évalué l’environnement du bâtiment, vous pouvez examiner les espaces intérieurs et étudier leur fonction ainsi que les contraintes liées aux personnes, aux équipements et au rayonnement solaire.

Zones à contraintes modérées

Les zones à contraintes modérées, telles que les circulations, les espaces communs, les atriums, les bureaux, les entrepôts, les salles de sport, etc. conviennent presque toujours à une ventilation naturelle.

Zones à contraintes élevées

Les zones telles que les salles de réunion, les salles de classe, les cantines et autres, ont tendance à avoir des contraintes plus élevées. Ces zones peuvent être mieux adaptées à la ventilation hybride, en particulier si vous vous trouvez dans une région où les hivers peuvent être froids et où les exigences en matière de niveaux de CO₂ sont strictes.

Les exigences en matière de ventilation pour des zones telles que les salles de classe et les établissements de soins de santé peuvent varier considérablement d’un pays à l’autre. Selon le pays et le contexte, la ventilation naturelle sera suffisante, tandis qu’à d’autres moments, une ventilation hybride devra être mise en place pour répondre aux exigences en matière de CO₂ sans créer de courants d’air.

Le volume de la pièce est-il supérieur ou inférieur à 15 m³ par personne ?

En règle générale, si le volume de la pièce s’élève à 15 m³ ou plus par personne, la ventilation naturelle est souvent une très bonne solution. Si le volume de la pièce est toutefois inférieur à 15 m³ par personne, une ventilation hybride peut s’avérer nécessaire, en particulier dans les régions où l’hiver est froid, afin d’éviter les courants d’air froids. À l’inverse, dans les régions qui ont tendance à avoir des étés très chauds, une ventilation hybride sera probablement nécessaire afin de garantir le confort.

Quel est le volume du flux d’air par temps froid ?

Si le bâtiment se situe dans une région où les hivers sont froids, il convient d’estimer la quantité de renouvellement d’air nécessaire pour maintenir les niveaux de CO₂ souhaités. Si le volume du flux d’air peut être maintenu à 1 litre par seconde et par m² (env. 1,5 h^-1 avec un plafond à hauteur normale), il sera possible, dans la plupart des cas, d’utiliser la ventilation naturelle sans causer d’inconfort aux utilisateurs du bâtiment. Si la ventilation requise est supérieure à 1 litre par seconde et par m², une ventilation hybride peut s’avérer nécessaire pour éviter les courants d’air.

Combien de fois et pendant combien de temps faut-il ouvrir la fenêtre par heure par temps froid ?

Si votre client opte pour une ventilation naturelle automatisée, il peut alors s’avérer utile de lui donner une idée de la manière dont le système fonctionnera par temps froid en utilisant l’équation de dilution. Cela peut contribuer à dissiper les inquiétudes des clients concernant les courants d’air.

Commencez par déterminer le volume de la pièce et le nombre de personnes correspondant pour une journée standard.

À l’aide de l’équation de dilution, vous pouvez ensuite calculer le nombre de minutes par heure et par jour pendant lesquelles les fenêtres ou les volets devront être ouverts par temps froid pour rester en-dessous du niveau de CO₂ souhaité.

En général, nous savons que les fenêtres peuvent s’ouvrir 2 à 3 fois par heure pendant respectivement 2 à 3 minutes par temps froid sans causer de désagrément aux utilisateurs.

Au Danemark, par exemple, nous avons employé cette technique dans un complexe de bureaux très fréquenté, qui exploite la ventilation naturelle tout au long de l’année. Nous avons ici une illustration du calcul effectué lors de la phase de conception. La demande pour le niveau de CO₂ était de 1 000 ppm maximum et, avec la charge de personnes donnée, deux ouvertures (impulsions) par heure étaient nécessaires.

Si vous constatez toutefois que votre bâtiment nécessite des ouvertures à une fréquence supérieure à 3 fois par heure, respectivement à raison de 3 minutes, afin de maintenir un climat ambiant optimal, une ventilation hybride peut s’avérer nécessaire.

Si vous souhaitez obtenir de l’aide pour effectuer ce calcul, nous nous ferons un plaisir de vous conseiller gratuitement.

Taux d’occupation

S’il s’avère que la ventilation naturelle ne peut pas être utilisée avec un taux d’occupation de la pièce de 100 %, la ventilation hybride peut être une stratégie avantageuse (ventilation mécanique + ventilation naturelle).

Dans de nombreux cas, la ventilation naturelle sera suffisante pendant une très grande partie du temps, même dans les zones critiques. Cela s’applique à tous les types de salles où le nombre de personnes peut varier considérablement, comme les espaces de bureaux et les salles de réunion. Par conséquent, la ventilation hybride peut offrir les avantages d’une ventilation naturelle à 100 %, lorsque cela s’avère utile, et compléter la ventilation mécanique lorsque le taux d’occupation de la pièce atteint 100 %.

Des taux d’occupation élevés doivent être pris en compte (comme pour des  salles réservées aux événements) si les surfaces d’ouverture, de ventilation transversale ou de ventilation verticale sont limitées.

4. Aménagement intérieur et solution de ventilation

Après avoir déterminé la fonction et l’utilisation des différentes pièces, vous pouvez ensuite examiner la conception des pièces en fonction de leur profondeur afin de vous aider à choisir une solution de ventilation naturelle appropriée. Dans cette section, nous examinons les 3 principales solutions de ventilation naturelle et donnons des conseils pour savoir comment les choisir.

En général, nous recommandons que les ouvertures soient placées dans les niveaux supérieurs d’une zone occupée afin d’éviter les nuisances dues aux courants d’air.

Il existe 3 approches fondamentales de la ventilation naturelle :

La manière dont ces stratégies peuvent ou doivent être appliquées dans une pièce dépend de la profondeur de la pièce et des forces motrices disponibles. Si le bâtiment est par exemple conçu pour être principalement ventilé par le vent, la ventilation naturelle peut être améliorée en tenant compte des vents dominants lors du positionnement des ouvertures.

Bien qu’il s’agisse là de nos règles empiriques concernant la profondeur de la pièce et la solution de ventilation, nous vous recommandons de consulter les réglementations et exigences locales. Si vous avez besoin d’aide, n’hésitez pas à nous contacter.

Zones de ventilation avec profondeur de pièce limitée

Si la zone à ventiler a une profondeur inférieure ou égale à 2,5 fois la hauteur du sol au plafond, sans dépasser 10 m, la zone peut souvent être ventilée par une ventilation unilatérale.

Si la zone est toutefois très encombrée, comme une salle de classe, une assistance mécanique sera souvent nécessaire pour répondre aux normes de construction. Cela n’est toutefois pas le cas dans tous les pays. Dans certains pays, une ventilation unilatérale, une ventilation transversale ou une ventilation verticale suffit.

Zones de ventilation dans les pièces plus profondes

Si la profondeur de la zone à ventiler est supérieure à 2,5 fois la hauteur du sol au plafond, une ventilation transversale ou une ventilation verticale sera normalement nécessaire pour assurer une ventilation adéquate. En général, une zone utilisant une ventilation transversale ou une ventilation verticale peut souvent avoir une profondeur de la pièce limitée à maximum 5 fois la hauteur du sol au plafond.

S’il n’est pas possible de mettre en place une ventilation transversale ou une ventilation verticale, il est possible d’installer une extraction à l’arrière de la pièce, de préférence avec récupération de chaleur en plus. Un système de ventilation mécanique équilibré peut également servir de complément.

Si la profondeur de la zone est supérieure à environ 5 fois la hauteur du sol au plafond, la ventilation transversale, la ventilation verticale et la ventilation unilatérale avec extraction assistée commencent également à atteindre leurs limites, et il convient d’envisager l’utilisation d’une ventilation hybride.

Grands bâtiments avec atriums centraux

Si un grand bâtiment comporte un atrium central avec des ouvertures dans le toit, avec des bureaux ou espaces de travail adjacents, la distance horizontale entre la façade du bureau et le bord ou le début de l’atrium ne doit pas être supérieure à 5 fois la hauteur du sol au plafond.

Prévention des courants d’air

L’aménagement d’espaces de travail permanents à l’intérieur de l’atrium avec une verrière très haute nécessite certaines précautions, que la ventilation soit mécanique ou naturelle. Le toit peut en effet provoquer des courants d’air en cas de refroidissement de l’air situé directement en-dessous du toit. Si les espaces de travail possèdent toutefois leur propre toit, il convient d’éviter les courants d’air.

Si des espaces de travail sont disposés au bord de l’atrium, nous recommandons de prévoir une protection ou barrière à fermeture à proximité du sol afin d’éviter les courants d’air au niveau des pieds.

Grands bâtiments avec un atrium

Un bâtiment où les bureaux sont disposés autour d’un grand atrium central peut devenir trop haut pour une ventilation verticale naturelle. Nous avons une grande expérience des bâtiments de 5 à 6 étages qui utilisent la ventilation verticale naturelle. Si le bâtiment que vous envisagez de construire est plus haut, il est recommandé de l’examiner de plus près, et il peut nécessiter une extraction mécanique assistée au point le plus élevé du bâtiment afin de garantir l’arrivée d’air frais à tous les étages.

Pour les grands immeubles de bureaux avec atrium, la surface d’ouverture du toit doit être environ 1,5 fois supérieure à la surface d’ouverture totale des façades afin de garantir que tous les étages soient approvisionnés en air frais et que seul le toit est employé pour l’extraction. Par exemple, si un atrium est relié à une zone de ventilation naturelle de 10 000 m², la surface d’ouverture effective du toit doit s’élever à environ 90 m². Cela repose sur l’hypothèse que la surface d’ouverture effective totale correspond à environ 1,5 % de la surface ventilée naturellement. Il est cependant rare que toutes les ouvertures de la façade soient entièrement ouvertes en même temps et, dans la pratique, la surface d’ouverture du toit peut par conséquent être légèrement réduite.

Rafraîchissement nocturne

L’utilisation de la ventilation transversale et de la ventilation verticale peut améliorer considérablement l’efficacité du rafraîchissement nocturne. Dans la mesure du possible, les portes entre les bureaux doivent être ouvertes pour augmenter le flux d’air à l’intérieur du bâtiment durant la nuit.

5. Surfaces d’ouverture

Surfaces d’ouverture efficaces pour la ventilation naturelle

Au début de la phase de conception, vous pouvez utiliser les lignes directrices suivantes pour avoir une bonne idée de la taille de la surface d’ouverture effective par pièce. Lorsque vous aurez une connaissance plus précise de l’utilisation de l’espace, les surfaces d’ouverture effectives pourront être adaptées. Le nombre et le type d’ouvertures pourront être définis un peu plus tard au cours de la phase de conception.

Comment puis-je déterminer la surface d’ouverture effective d’une fenêtre ?

Nous décrivons d’abord comment nous définissons la surface d’ouverture effective.

Pour le système de ventilation naturelle, la surface d’ouverture effective est définie par :

L’exemple de la surface d’ouverture géométrique (A_géom) d’une fenêtre est illustré dans la figure ci-dessous.

La surface d’ouverture géométrique résulte de la somme de A2, A3 et A4. Si A1 est inférieur à la somme de A2, A3 et A4, A1 doit alors être employée comme surface d’ouverture géométrique de la fenêtre.

Le coefficient de décharge de l’ouverture (C_d) dépend de la friction et de la contraction de l’ouverture. Pour les fenêtres et autres grandes ouvertures, le coefficient d’écoulement (C_d) est de l’ordre de 0,6 - 0,7.

Si des moustiquaires sont installées sur la fenêtre, elles affecteront le coefficient de décharge et peuvent également affecter la surface d’ouverture géométrique.

C’est toujours la plus petite ouverture à travers laquelle l’air circule qui définit la surface d’ouverture géométrique. Par conséquent, les moustiquaires n’affecteront la surface d’ouverture géométrique que si la surface d’ouverture à travers la moustiquaire est la plus petite surface possible à travers laquelle l’air circule.

Le coefficient de décharge d’une fenêtre basculante munie d’une moustiquaire est généralement réduit de 0,6-0,7 à 0,3-0,4. Cela dépend de la porosité et du matériau de la moustiquaire.

Comment puis-je évaluer les besoins d’une zone de ventilation en termes de surface d’ouverture effective ?

Lorsque vous connaissez la position des ouvertures possibles de la zone vers l’extérieur, et par conséquent le principe de la ventilation naturelle, vous pouvez alors effectuer un simple calcul pour une première estimation de la surface d’ouverture effective pour chaque zone à ventiler. Le point de départ est la surface au sol effective de la pièce ou de la zone et le principe de ventilation, comme illustré ci-dessous.

Pièce avec ventilation unilatérale :

A_eff est égal à 2 % de la surface au sol

Ventilation transversale ou ventilation contrôlée par la poussée :

A_eff égal à 1,5 % de la surface au sol

Après avoir estimé les surfaces d’ouverture effectives pour chaque zone et déterminé leur emplacement approximatif, il est possible de déterminer le taux de renouvellement naturel de l’air de la zone.

Nous avons un simulateur du taux de renouvellement de l’air que vous pouvez employer à cet effet.

Conclusion

Si vous souhaitez confirmer vos calculs ou obtenir des conseils à propos de vos premières réflexions, n’hésitez pas à nous contacter.

Si vous souhaitez en savoir plus à propos de la ventilation naturelle, restez à l’écoute de notre prochain blog qui sera consacré à la détermination des ouvertures des fenêtres, de leur emplacement et de leur dimensionnement.

Vous trouverez ci-dessous des manuels des logiciels qui vous aideront à modéliser et calculer en détail le flux d’air.