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mots clés: air, atmosphère, ventiler, respirer, aérer, santé, tempérer, puit canadien, réchauffer, refroidir, mouvement de l'air, VMC, climat. cibles HQE : Confort hygrothermique
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Changer d’air : ventiler, rafraîchir ou réchauffer l’air intérieur
16.02.08 11:21

Ventiler
Il est difficile d'échapper à toutes les sources de pollution atmosphérique, pour cette raison, il devient indispensable de ventiler, de renouveler l'air intérieur des constructions, de remplacer l'air vicié, d'éliminer les fumée, d'évacuer l'humidité de manière naturelle ou mécanique, en tempérant l'air entrant, le réchauffant ou le refroidissant si nécessaire.
S'il s'agit de procurer suffisamment d'air pur dans toutes les conditions climatiques, renouveler l'air apporte aussi des sensations agréables de léger courrant d'air.
Enfin, les pertes énergétiques causées par les systèmes de ventilation naturelle ou mécanique sont un paramètre important dans une construction et demandent une étude approfondie pour les situer et dimensionner convenablement.


Besoins de renouvellement et normes
Chaque pays possède ses propres estimations des besoins et ses propres normes d'extraction et de renouvellement d'air, voici les normes françaises :

Pour le logement, le débit d'air varie en fonction de la taille du logement:

Nombre de
pièces
principales
Débits minimum
( en m3/h)
dont Cuisine Salle de bains WC
1 35 20-72 15 15
2 60 30-90 15 15
3 75 45-105 30 15
4 90 45-120 30 30
5 et + 105 (+15/piec) 45-135 30 30

Pour les établissements accueillant du public :

Locaux d'enseignement (classes, salles d'études, maternelles, primaires, secondaire du 1er cycle), on demande 15m3/h/ personne (élève)

Classes de secondaires du 2ème cycle et universitaires, ateliers, bureaux et locaux assimilés (tels que locaux d'accueil, bibliothèques, bureaux de poste, banques), locaux de réunions ( tels que salles de réunions, de spectacles, de culte, clubs, foyers) , on demande 18 m3/h/ personne (élève, spectateur…)

Locaux de vente (tels que boutiques, supermarchés), locaux de restauration (cafés, bars, restaurants, cantines, salles à manger ), locaux à usage sportif ( piscine… calculé par sportif ) , on demande 22 m3/h/ personne

Enfin pour tout autres locaux, on demande 25 m3/h/ personne.

Les mouvements de l'air
Concevoir une bonne ventilation, c'est avant tout comprendre les mouvements fluides de l'air : ceux-ci sont créés par déséquilibre thermique, l'air chaud est plus léger et a tendance à s'élever en repoussant et renouvelant l'air en place et en attirant de l'air plus froid à sa place. Une source de chaleur créée ainsi un mouvement d'air cyclique, une convection naturelle lorsque l'air frais est renouvelé. Au contraire sans aération, ni forte source de chaleur, l'air chaud et humide stagne en hauteur et l'air froid forme une couche stationnant au sol.

La vitesse du flux d'air est aussi largement dépendante de la pression donnée par le réglage des entrées et sorties d'air. Ainsi une entrée d'air importante et une sortie plus petite donne une vitesse de courant d'air faible.
Au contraire une petite entrée et une sortie plus grande augmentent sa vitesse.
Si l'air s'écoule sur un même plan avec une entrée et une sortie à hauteur identique, des couches non ventilées risquent d'apparaître, ainsi que des phénomènes de stagnation et de turbulence au niveau de celles ventilées.
Le schéma d'une ventilation optimale peut être obtenu en plaçant les entrées d'air frais en partie basse et les sorties en hauteur et légèrement plus grande pour créer un phénomène d'aspiration de l'air tiédi et humide.

Implantation du bâtiment

Les positions des entrées et des extractions d'air sont aussi largement induites par les mouvements atmosphériques du site. Lors des phases d'étude, il est nécessaire de bien connaître les directions du vent et des mouvements de l'air non seulement pour la ventilation, mais aussi pour les protections et les isolations contre les déperditions thermiques, acoustique, ou au contraire pour orienter les ouvertures vers les brises dominantes d'été de façon à les canaliser et rafraîchir la construction.
Le vent poussant l'air sur les façades ventées en provoquant une surpression et au contraire l'aspirant du coté de la façade sous le vent (en dépression), il est plus efficace de placer l'entrée et la sortie d'air sur ces deux façades opposées : l'entrée sur la façade au vent en surpression et la sortie d'air sur la façade sous le vent.
En l'absence de vent dominant, on observe que la façade à l'ombre est en surpression par rapport à celle au soleil en dépression car plus chaude.

Système de ventilation naturelle
Fenêtre
Le moyen le plus naturel de ventiler revient simplement à ouvrir les fenêtres, pour cela en prévoir au moins une dans chaque pièce de vie (minimum une fenêtre pour 18 m²) , la taille de chaque ouverture doit être de 1/20e de la surface du plancher (avec au moins 0,50m²). Ouvrir largement les fenêtres pendant une courte durée est beaucoup plus efficace que de les laisser entrouvertes. En hivers, ou sous les climats plus froid, il est important de minimiser les pertes d'énergie, d'avoir recours à d'autres moyens de ventilation ou de limiter l'ouverture des fenêtres à quelques minutes lors des midis ensoleillés. L'été au contraire, il est utile de bien ventiler la nuit pour évacuer la chaleur accumulée dans les masses du bâtiment et ainsi rafraîchir la construction.

Grille
Dans les climats tempérés, la ventilation intérieure peut s'opérer simplement par des grilles de ventilations. Il est pourtant utile de prévoir des systèmes de fermetures étanches à l'air pour isoler thermiquement et réduire ainsi les déperditions lors des intempéries. Ces grilles doivent aussi être nettoyées régulièrement et être protégées des rongeurs, de la pluie et de la neige…

Des prises d'air orientables ou multidirectionnelles sont utiles dans les régions ou les vents dominants viennent de multiples directions. Un manche à air tournant en girouette constitue un moyen optimal et esthétique tout en étant dans la bonne direction au moindre changement du vent.

De même l'évacuation de l'air peut se faire par un simple conduit coudé ou à turbine.

Evacuation par ouverture en toiture
Une ouverture zénithale par un lanterneau ouvrant est aussi un moyen judicieux d'extraire l'air chaud, chargé d'odeur et d'humidité stagnant en partie haute. )


Pompe à air solaire
On peu aussi concevoir une pompe d'air naturelle se régulant en fonction de la chaleur solaire. Un conduit associé à un système de captation solaire ( simplement de couleur noire, ou bien avec vitrage) permet de chauffer l'air sortant en l'allégeant et ainsi amorçant un tirage d'air frais, ce système s'autorégule en fonction de la puissance des apports solaires.

Rafraîchir
Avant même d'essayer de rafraîchir un lieu, un tout premier principe consiste à limiter le plus possible les apports énergétiques du soleil et des matériaux à forte inertie. Il s'agit par exemple de favoriser la végétation d'un site et fournir le plus d'ombre possible aux surfaces construites ; utiliser des pavages poreux, pour le sol extérieur ; construire sur pilotis avec des toitures en forme de parasol pour permettre aux brises de s'infiltrer et ventiler le bâtiment et le rafraîchir agréablement. On peut aussi végétaliser la toiture pour absorber la chaleur… utiliser des matériaux réfléchissant ( à albédo élevée ) pour les murs afin de réduire leur absorbation de chaleur. Organiser des endroits frais comme des patios convenablement à l'ombre où l'air qui traverse la construction est rafraîchi par l'évaporation des fontaines, des bassins et de la végétation.

Humidifier
Nous notions que l'eau a une très bonne capacité de stockage énergétique sous forme de chaleur latente, la teneur en eau de l'air intérieur peut influencer le confort et les phénomènes de micro-climat au sein d'une construction. Dans un climat chaud et sec, un flux d'air humide peut apparaître rafraîchissant car il captera la chaleur sur son passage. De nombreux systèmes distribuant l'eau en goûte à goûte et humidifiant des matériaux, galets, tissus… peuvent être inventés. L'utilisation de matériaux fragmentés, tissés, ou bien alvéolaires… augmentent les surfaces d'échanges de chaleur et favorise l'évaporation…

Capteur à vent
Une invention très ancienne venue du moyen orient consiste à bâtir une petite tour pour capter "en altitude" l'air frais des vent dominants : le capteur à vent. Celui-ci peut prendre la forme de manche à air et être construit au dessus des toits pour recueillir les vents dominants à une hauteur de 6 à 12 m. Il le canalise vers le bas et vient créer dans la maison un courant frais qui sera réparti dans la construction avant d'être évacué par des ventilations hautes…
L'air capté par ce dispositif peut être humidifié en y ajoutant un système d'évaporation en terre poreuse ou en tissus, l'air est ainsi rafraîchi par l'humidité qui augmente sa capacité à transporter la chaleur. Un filtre à charbon de bois permet également de rafraîchir et de purifier l'air entrant en retenant les poussières.

Tempérer avec un puit canadien
Tempérer l'air entrant permet réduire les dépenses d'énergie nécessaires au chauffage ou à la climatisation en le réchauffant en hiver, et le refroidissant en été. Un dispositif devenu classique est connu sous le nom de puit provençal ou puit canadien. Ce système repose sur le fait que la température de la terre varie seulement de quelques degrés entre les saisons et entre le jour et la nuit, à une profondeur de 1,5m à 2,5m si le terrain est sec. Le dispositif capte l'air extérieur, le fait passer dans un long d'une canalisation enterrée dans le sol, inclinée en pente douce. Le conduit servant d'échangeur thermique, captant l'énergie géothermique contenue par inertie dans le sol.
La conception demande dans un premier temps une étude de la nature du sol. Un sol trop dur, rocheux demandera des investissements trop importants. Un sol émettant du radon sera également à proscrire.
La granulométrie du sol est importante, les terres à faible granulométrie ( limons, argile ) ont une meilleure conductivité thermique, il convient d'éviter le sable, les remblais de cailloux ou de gravats.
Dans un projet de construction neuve, le tuyau peut utiliser les mêmes tranchés que celles nécessaires aux différents réseaux.

La profondeur optimale serait de 5 à 7m, là où la température demeure parfaitement stable, mais une telle profondeur augmente considérablement le coût du système. Si le système doit uniquement refroidir une profondeur de 70 à 90 cm est suffisante avec une distance de 70 cm entre les tuyaux. Si le système permet également de préchauffer l'air en hivers, il faut compter 1,5 à 2,5m de profondeur avec une distance de 1,5m entre les tuyaux.
Le conduit ne devra pas être placé sous la construction ni le long des fondations où les effets seraient réduits car absorbant la chaleur de la maison…
Le dimensionnement exact d'un puits canadien est lié au calcul global de la ventilation de la maison. Pour une maison de 100m² ,on prévoit un tuyau d'une longueur de 30 à 40m pour un diamètre optimale de 15 à 20 cm.
Le tuyau sera posé avec une pente de 2 à 3% pour évacuer l'humidité. Il peut être en béton, en fonte, en grès émaillé, en PVC ou en polyéthylène. Il est préférable cependant que la surface extérieure de ce conduit ne soit pas lisse pour favoriser les échanges thermiques, mais pour des aspects sanitaires, l'intérieur doit être lisse, de même, il doit être parfaitement étanche à l'eau et aux insectes, il doit être non toxique (Le PVC est à proscrire car dégageant des COV). Le polyéthylène est la solution préférable.
L'entrée d'air devra être implantée de manière optimale dans un endroit bien protégé au nord, s'il s'agit principalement de recueillir de l'air frais, sinon dans le sens des vents dominants et éloignée des sources éventuelles de pollution (usine, route, garage…). Elle devra aussi être écartée du sol et bien protégée contre la pluie, les feuilles, les insectes, la poussière…
A l'arrivée, un siphon permettra d'évacuer les condensas à la base du conduit et une trappe d'accès permettra de le nettoyer et le vidanger régulièrement.
Un ventilateur aspire l'air du puit et le distribue dans la maison, on prévoira un débit de 1 à 1,5 m/s pour le préchauffage et on ira jusqu'à 3m/s pour le rafraîchissement, ces calculs devant être affinés par ceux de la ventilation de la construction.

Réchauffer
Comme l'énergie terrestre, l'énergie solaire est un excellent moyen de tempérer en réchauffant l'air extérieur entrant.
Une multitude de techniques bioclimatiques peuvent être imaginées pour favoriser le captage ce chaleur : en faisant passer l'air par exemple dans un système de façade double peau en verre, capteur à air ou mur trombe ou bien en le faisant traverser un jardin d'hivers ou une véranda. Les systèmes de murs capteurs et de serres solaires seront décrits dans la page sur l'énergie.
Le mur Trombe (du nom de son concepteur : le professeur Félix Trombe) reprend le principe du mur capteur, il forme une façade double peaux composée d'un mur dans un matériau à forte inertie (béton, pierre, etc.) devant lequel on place une vitre séparé par une lame d'air de quelques centimètres, pour créer un effet de serre qui chauffe l'air.
Des orifices de ventilation hauts et bas, entre le local et la lame d'air sont réalisées dans le mur afin de créer une circulation d'air par thermocirculation ou thermosiphon.
L'air frais rentre par les orifices du bas, se réchauffe au contacte de la paroi (qui peut atteindre 65°C), il s'élève et pénètre par les ouvertures supérieures dans la pièce.
Cette paroi doit être orientée au sud ( voir page énergie ).
Dans les climats tempérés, il est conseillé de prévoir une surface d'environ 0,30 à 0,60m² de mur capteur par mètre carré de surface à chauffer.
La surface totale des grilles de ventilation supérieures et inférieures doit représenter 3% de la surface totale du mur Trombe. On peut également se servir de ce système pour tempérer l'air neuf entrant, en plaçant l'arrivée d'air frais du coté extérieur.
En l'absence de rayonnement solaire (nuit, ciel nuageux), le flux convectif peut s'inverser et provoquer un refroidissement accéléré du local. Pour éviter cela, les orifices doivent pouvoir être refermés par des clapets. On peut ajouter des technologies plus complexes à ce système : ventilation motorisée, clapets automatiques ou clapets anti-retour, volets roulants.
Enfin ce système demande un nettoyage régulier des vitrages extérieurs et intérieurs, la lame d'air se salit à cause de la circulation d'air. Le système doit être facilement accessible et démontable.

Système mécanique -VMC
La VMC ou ventilation mécanique contrôlée permet d'extraire mécaniquement l'air à l'intérieur d'un local.

Le système de base ( simple flux ) vient mettre en dépression les pièces dites humides : salles de bains, toilettes, cuisines..., y aspirant l'air humide ou chargé d'odeurs et faisant appel d'air des autres pièces où entre l'air extérieur (chambres, séjour…). La circulation de l'air se fait en sens unique, balayant l'ensemble du local.
Par rapport au système basique, il est plus opportun d'utiliser des dispositifs réglables en fonction des besoins et de tempérer l'air neuf en le réchauffant et le refroidissant selon la nécessité.

Une VMC hygroréglable intègre à chaque entrée et sortie d'air des capteurs déterminant les besoins réels de ventilation pièce par pièce permettant l'hiver de ne pas évacuer trop d'air chaud et d'augmenter la consommation d'énergie liée au chauffage
La VMC double flux est équipée d'un échangeur thermique récupérant la chaleur de l'air évacué pour réchauffer l'air entrant insufflé dans les pièces de vie (chambres, séjour). Ce système permet de d'économiser 60% de l'énergie qui serait perdue par le renouvellement de l'air avec une VMC simple flux. On peut associer ce système avec un puit canadien, cela permettant d'avoir une arrivée d'air à température positive toute l'année et d'optimiser son fonctionnement pendant les périodes les plus froides.

Pour limiter la pollution de l'air intérieur, il est bon de limiter les installations de ventilation trop complexe ou impossible à nettoyer… Les grilles de VMC doivent être nettoyées tout les 3 mois et les conduits au moins tous les 3 ans par une entreprise spécialisée (nettoyage et maintien des gaines, vérification des entrées d'air,...). De même, la hotte de la cuisine doit être régulièrement nettoyée et les filtres changés.
La circulation de l'air ne doit pas être perturbée, les grilles d'aération ne doivent pas être bouchés ou cachés derrière un meuble ou un revêtement, et doivent être maintenus propre. Sous les portes, un espace de 2 cm doit être maintenu pour permettre à l'air de passer.
[ Partie plus détaillée en cours ]

Chantier
Une bonne qualité de l'air intérieur doit également être maintenu pendant le chantier.
Si les systèmes d'aération doivent fonctionner pendant la construction, il est nécessaire d'y ajouter des filtres, d'inspecter et de nettoyer les conduits après le chantier.
Les matériaux absorbants (bois, plaque de plâtre, isolant, tapis, faux plafond …) doivent être protégés contre l'humidité et contre d'éventuelles contaminations de produits toxiques.

Le chantier terminé et l'ensemble des finitions, équipements, mobilier livré, après avoir installé de nouveaux filtres et nettoyé le bâtiment et avant même l'occupation des futurs usagers, il convient d'entreprendre un renouvellement intense de l'air et surchauffant le bâtiment pour que l'ensemble des matériaux et des finitions sèchent puis en évacuant cet air chargé de polluant… Il s'agit de fournir au minimum un volume d'air totale de 4 300m3 d'air par m2 de surface de plancher à une température d'au moins 16°C avec une humidité relative ne devant pas dépasser les 60%.



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