Le confort d’´ et´ e dans les bˆ atiments

1.1.1 Contexte ´energ´etique

Assurer le confort d’´et´e dans un bˆatiment tout en r´ealisant des ´economies d’´energie fait partie des enjeux ´ecologiques et ´economiques majeurs. En consid´erant le contexte ´energ´etique actuel, incitant `a r´eduire toujours davantage la consommation d’´energie dans les bˆatiments, la prise en compte de tous les postes de consommation devient critique. La climatisation convention-nelle, ´energivore et source de pollution de l’air, fait partie des cibles prioritaires. Que ce soit dans la construction de nouveaux bˆatiments ou dans la r´ehabilitation du parc existant, des solutions alternatives doivent ˆetre propos´ees. C’est dans ce contexte que le projet VALERIE (VALorisation par l’Enveloppe du bˆatiment des Ressources ´energ´etiques Imm´ediatement Ex-ploitables) `a ´et´e d´evelopp´e [CDRR11]. Celui-ci montre que la consommation ´energ´etique d’un bˆatiment peut en effet ˆetre r´eduite consid´erablement en exploitant efficacement les ressources de l’environnement : ´evolution des temp´eratures, profil de vent du site, ressource solaire. . . La conception de bˆatiments basse consommation « types », focalis´ee g´en´eralement sur l’isolation thermique revient souvent `a les priver de ces ressources. Il faut donc ´etudier le probl`eme de fa¸con plus globale et s’int´eresser `a la disponibilit´e de ces ressources en fonction des besoins du bˆatiment, ceux-ci ´evoluant aussi bien au cours des saisons qu’au cours de chaque journ´ee. Parmi les axes de recherche permettant une r´eduction importante de la consommation ´ener-g´etique des bˆatiments, nous nous int´eresserons au domaine du rafraˆıchissement passif par la ventilation.

1.1.2 Rˆole de la ventilation

La ventilation des bˆatiments, m´ecanique ou naturelle, peut occuper plusieurs rˆoles tels que assurer la qualit´e de l’air int´erieur, am´eliorer le confort thermique en ´et´e et r´ealiser des

´eco-nomies d’´energie.

Selon une ´etude de l’ADEME, plus de 80% de la population vit actuellement dans des zones urbaines et passe jusqu’`a 90% de son temps dans des espaces clos [H´er04]. Une mauvaise a´era-tion et donc une mauvaise qualit´e de l’air peut avoir des cons´equences n´efastes sur le bˆatiment ainsi que sur la sant´e des occupants. Cela participe au « syndrome du bˆatiment malsain » qui a fait son apparition d`es les ann´ees 70 [FPB84].

Une bonne ventilation permet d’apporter un air neuf tout en ´evacuant l’air vici´e ainsi que les odeurs et polluants provenant majoritairement de l’int´erieur du bˆatiment. Le renouvellement d’air est donc indispensable pour maintenir le confort et l’hygi`ene des bˆatiments. Pour cela, une r´eglementation existe depuis plusieurs ann´ees afin de garantir une ventilation correcte. Sa premi`ere apparition en 1937, sous forme de r`eglement sanitaire d´epartemental, visait `a assurer une ventilation suffisante des pi`eces les plus sensibles sans pour autant sp´ecifier les moyens `a mettre en œuvre pour assurer cette ventilation. Celle-ci se faisait g´en´eralement par les ouvertures (fenˆetres et portes), infiltrations et grilles de ventilation. Ce n’est qu’en 1969 qu’un Arrˆet´e relatif `a l’a´eration des logements fixera le principe de la ventilation g´en´erale et permanente, mettant ainsi en place une obligation de maˆıtrise des d´ebits dans les logements [Leg69]. Cette date correspond ´egalement `a la naissance et `a la g´en´eralisation de la Ventilation M´ecanique Contrˆol´ee (VMC), proc´ed´e le plus utilis´e de nos jours.

Un syst`eme de ventilation bien utilis´e peut ´egalement permettre d’´eviter un recours syst´ema-tique `a la climatisation. Il est en effet possible de rafraˆıchir un bˆatiment par ventilation chaque fois que la temp´erature ext´erieure est inf´erieure `a la temp´erature int´erieure et le rafraˆıchis-sement est d’autant plus important que l’´ecart de temp´erature entre l’int´erieur et l’ext´erieur du bˆatiment est grand. Selon le climat, il est donc particuli`erement int´eressant d’exploiter la fraˆıcheur de la nuit et d’essayer d’en conserver un maximum pour r´eduire les besoins en froid du lendemain.

1.2 La ventilation m´ecanique contrˆol´ee

Afin de r´epondre aux exigences des r´eglementations thermiques, plusieurs solutions de venti-lation existent actuellement. Nous pr´esentons ici les syst`emes les plus r´epandus.

1.2.1 VMC simple flux

La VMC simple flux est actuellement le syst`eme le plus r´epandu dans l’habitat individuel, ´equipant la majorit´e des logements construits depuis 1982. Le principe de fonctionnement consiste `a cr´eer un unique flux d’air dans le bˆatiment. L’air neuf entre par les pi`eces s`eches (salon, chambres. . . ) et l’air vici´e ressort par les pi`eces humides et vici´ees (salle de bain, cuisine. . . ). La diffusion de l’air neuf dans les pi`eces s`eches est permise par des ouvertures plac´ees en fa¸cade et la circulation de l’air est ensuite organis´ee grˆace `a des passages sous les portes ou des grilles de transfert dans les portes ou les cloisons. La sortie de l’air vici´e se fait g´en´eralement au niveau de la toiture `a l’aide d’un conduit.

autor´eglable procure un d´ebit d’air constant quelles que soient les conditions ext´erieures et int´erieures (occupation du bˆatiment, humidit´e). Le d´ebit d’air sera fix´e en fonction de la r´eglementation et d´ependra uniquement du dimensionnement des entr´ees et sorties d’air. La version hygror´eglable permet quant `a elle de r´eguler le d´ebit d’air neuf entrant dans le bˆatiment en fonction du taux d’humidit´e. Cela garantit une ventilation adapt´ee aux besoins, permettant ainsi d’obtenir un meilleur confort tout en limitant le plus possible les d´eperditions thermiques. Ce dispositif pr´esente ´egalement l’avantage d’´evacuer plus rapidement l’air humide.

Deux syst`emes sont possibles au niveau de la m´ecanisation : l’un proposant une m´ecanisation au niveau de l’extraction de l’air vici´e et l’autre au niveau de l’insufflation de l’air neuf dans le bˆatiment.

1. VMC simple flux par extraction : Le syst`eme fonctionne avec un seul ventilateur charg´e d’extraire l’air vici´e des diff´erentes pi`eces (Figure 1.1). L’apport d’air neuf se fait de fa¸con naturelle par des entr´ees d’air situ´ees en fa¸cade. Ce type d’installation reste le plus r´epandu car plus simple et moins on´ereux.

Figure1.1 – VMC simple flux par extraction [Fl´e12]

2. VMC simple flux par insufflation : Le principe du syst`eme est le mˆeme mais cette fois c’est l’entr´ee d’air neuf qui est provoqu´ee de fa¸con m´ecanique (Figure 1.2). L’´evacuation de l’air vici´e par des bouches ou des volets de surpression se fait de fa¸con naturelle. Un syst`eme de conduit est d`es lors obligatoire pour amener l’air neuf dans les diff´erentes pi`eces. Ce syst`eme peut ´egalement ˆetre raccord´e `a un dispositif de rafraˆıchissement passif tel qu’un puits canadien.

1.2.2 VMC double flux

Le syst`eme comprend cette fois deux circuits a´erauliques distincts et deux ventilateurs, l’un pour l’insufflation d’air neuf dans le bˆatiment et l’autre pour l’extraction de l’air vici´e (Fi-gure 1.3). La principale diff´erence avec un syst`eme simple flux est la pr´esence d’un r´ecup´erateur de chaleur. En hiver, celui ci permet d’utiliser la chaleur de l’air vici´e extrait du bˆatiment pour pr´echauffer l’air neuf venant de l’ext´erieur. L’int´erˆet majeur d’une VMC double flux est donc de limiter les pertes de chaleurs dues `a la ventilation. Bien que plus couteux `a l’achat, ce

Figure 1.2 – VMC simple flux par insufflation [Fl´e12]

syst`eme permet ainsi de r´eduire la consommation de chauffage. En ´et´e, tout comme le sys-t`eme simple flux par insufflation, il peut ˆetre coupl´e `a un dispositif de rafraˆıchissement passif. Il assure ´egalement une meilleure qualit´e d’air int´erieur en filtrant l’air entrant et permet un meilleur confort thermique et acoustique en r´eduisant la sensation de courant d’air froid pouvant ˆetre ressenti avec une VMC simple flux, cela grˆace `a l’absence d’entr´ee d’air dans les pi`eces principales.

Toutefois, les risques sanitaires li´es `a ces installations sont plus importants, n´ecessitant un nettoyage plus vigilant des filtres, groupes et gaines [BR10]. Le risque principal ´etant celui de la contamination de l’air neuf dans le r´eseau de gaines avant d’ˆetre expuls´e dans le bˆatiment (COV, micro-organimes se d´eveloppant en cas de condensation . . . ).

La consommation ´electrique est ´egalement plus ´elev´ee, ce qui limite son int´erˆet dans un climat doux aux hivers peu rigoureux o`u les ´economies r´ealis´ees sur le chauffage seront faibles.

Figure 1.3 – VMC double flux [Fl´e12]

1.3 La ventilation naturelle comme alternative

La ventilation naturelle est la forme la plus ancienne de ventilation qui existe. Que ce soit par simple ouverture de fenˆetre ou par des syst`emes plus ´elabor´es tels que les « badgir » en Iran et les « malquaf » en ´Egypte (pi`eges `a vent), on la retrouve dans toutes les civilisations et `a toutes les ´epoques [FS86]. Outre le renouvellement de l’air, elle consiste `a am´eliorer le

confort des occupants en cr´eant un mouvement d’air dans le bˆatiment et en le rafraˆıchissant la nuit grˆace `a des temp´eratures ext´erieures plus faibles. Utilis´ee sans r´eflexion particuli`ere, la ventilation naturelle ne peut cependant pas satisfaire les contraintes actuelles en terme de contrˆole des d´ebits. D´elaiss´ee depuis les ann´ees 50 pour des syst`emes de ventilation et de climatisation m´ecaniques, celle-ci tend `a disparaˆıtre des m´ethodes constructives. Elle s’int`egre cependant parfaitement dans la probl´ematique actuelle qui est de proposer des bˆatiments de moins en moins consommateurs d’´energie et non ´emetteurs de gaz `a effet de serre.

Utilis´ee dans de bonnes conditions, la ventilation naturelle peut se r´ev´eler comme une alter-native aux syst`emes de ventilation et de rafraˆıchissement m´ecanique.

1.3.1 Les apports de la ventilation naturelle

Le principal int´erˆet de la ventilation naturelle est d’exploiter une ressource gratuite et abon-dante tout en restant fiable, simple d’utilisation et sans entraˆıner de surcoˆut `a la conception du bˆatiment. Selon Stephan [Ste10], « il est primordial de concevoir les bˆatiments de ma-ni`ere `a favoriser la ventilation naturelle et essayer de cr´eer « naturellement » une vitesse de brassage suffisante (dimensions d’ouvertures, orientation. . . ) capable d’assurer une ambiance confortable et avoir recours, dans les cas extrˆemes, `a un appoint par brassage m´ecanique ». En effet, devant l’am´elioration des performances ´energ´etiques des bˆatiments permettant d’at-teindre des besoins tr`es faibles en chauffage, il devient n´ecessaire de prendre en compte tous les postes de consommation. La part d’un syst`eme de ventilation m´ecanique qui pouvait ˆetre n´egligeable il y a quelques ann´ees peut devenir consid´erable dans un bˆatiment `a haute perfor-mance ´energ´etique. De nombreuses ´etudes mettent ainsi en valeur l’utilisation de la ventilation naturelle pour r´eduire les consommations d’´energies [GBDH04, SKVM08]. Des outils de simu-lation permettent ´egalement de chiffrer les gains li´es `a l’utilisation de la ventilation naturelle en comparant plusieurs syst`emes sur un mˆeme bˆatiment et dans les mˆemes conditions (don-n´ees climatiques, sc´enarios d’occupation. . . ). Schulze et Eicker [SE12] pr´esentent ainsi un bˆatiment de bureaux au Danemark dont la version ventil´ee naturellement ne consomme que 40 kW h.m−2.an−1 contre 50 `a 90 kW h.m−2.an−1 pour celle ventil´ee m´ecaniquement selon le syst`eme utilis´e. Breesch [Bre06] montre que le gain en ´energie primaire pour un bˆatiment de bureau ventil´e naturellement en Belgique est de l’ordre de 8 kW h.m−2.an−1. Stephan [Ste10] pr´esente ´egalement des r´esultats similaires et montre que des consommations ´electriques de pr`es de 9 kW h.m−2.an−1 peuvent facilement ˆetre atteintes avec les syst`emes de VMC les plus rependus. Il en est de mˆeme avec les syst`emes de ventilation par brassage d’air pouvant ´egalement consommer jusqu’`a 9 kW h.m−2.an−1.

Un autre apport de la ventilation naturelle est la sensation de confort procur´ee aux occupants. Il est en effet souvent reproch´e aux syst`emes m´ecaniques utilis´es dans des bˆatiments « fer-m´es » d’ˆetre bruyants et de ne pas apporter une ambiance saine [GBDH04]. Au contraire, un syst`eme de ventilation naturelle, silencieux dans un environnement calme, r´eduit le syndrome du bˆatiment malsain et am´eliore le confort des occupants [Lid96].

1.3.2 Utilisation de la ventilation naturelle

Nous avons vu que la ventilation pouvait occuper diff´erents rˆoles dans le bˆatiment, tels que assurer un d´ebit d’air hygi´enique ou encore am´eliorer le confort en ´et´e. Concernant le confort d’´et´e, il faut distinguer deux utilisations possibles de la ventilation naturelle : la ventilation dite de confort, g´en´eralement utilis´ee en journ´ee, et la surventilation nocturne permettant de rafraˆıchir le bˆatiment de mani`ere passive.

1.3.2.1 Ventilation de confort

La ventilation dite de confort a pour objectif d’am´eliorer le confort physiologique de l’occu-pant en cr´eant un mouvement d’air dans la pi`ece. Afin d’obtenir des d´ebits d’air suffisants par ventilation naturelle il est g´en´eralement int´eressant d’utiliser un syst`eme de ventilation traversante. L’inconv´enient de cette strat´egie est qu’elle s’accompagne par une augmentation des temp´eratures, d`es lors que la temp´erature ext´erieure est plus ´elev´ee que celle `a l’int´e-rieur. Pour une utilisation optimale de la ventilation naturelle en journ´ee, le bˆatiment ne doit donc pas absorber et stocker de chaleur, n´ecessitant ainsi de privil´egier des structures l´eg`eres (bois, b´eton l´eger, brique perfor´ee . . . ). Du point de vue climatique, la temp´erature ext´erieure maximale ne doit pas d´epasser 28 `a 32◦C selon l’acclimatation des occupants [Giv92]. Cette strat´egie est `a privil´egier si l’amplitude thermique entre le jour et la nuit est faible et donc que le rafraˆıchissement passif nocturne n’est pas pertinent. C’est pour cette raison qu’elle est utilis´ee notamment en climat tropical. Le CSTB (Centre Scientifique et Technique du Bˆati-ment) s’est int´eress´e `a la prise en compte des param`etres climatiques dans l’habitat en climat tropical humide [SGB97]. Il ressort de cette ´etude qu’avec des vitesses de vents sup´erieures `a 1 m/s au niveau des ouvrants du bˆatiment il est possible d’´evacuer efficacement les apports de chaleur dus au soleil et aux charges internes et d’am´eliorer la sensation de confort.

Si l’utilisation de la ventilation naturelle n’est pas possible, un confort similaire peut ˆetre ob-tenu en utilisant un brasseur d’air. Ce dernier entraˆınera cependant un coˆut suppl´ementaire (consommation ´electrique) et ne permettra pas d’´evacuer les charges internes.

1.3.2.2 Surventilation nocturne

La surventilation nocturne permet de rafraˆıchir la structure du bˆatiment par convection et de stocker du froid pour assurer le confort thermique en journ´ee. Pour optimiser son efficacit´e le bˆatiment ne doit pas ˆetre ventil´e durant la journ´ee afin de ne pas laisser rentrer de l’air plus chaud [Giv91]. Il doit ´egalement b´en´eficier de protections solaires adapt´ees pour r´eduire au maximum les apports solaires. De plus, la structure du bˆatiment doit permettre le stockage de froid grˆace `a une bonne inertie (structure lourde) et disposer d’une bonne isolation. Au niveau du climat, il faut que l’amplitude thermique soit la plus importante possible pour obtenir une meilleure efficacit´e. L’utilisation de cette technique devient tr`es int´eressante pour des ampli-tudes de 10◦C et plus. De nombreuses ´etudes d´emontrent l’int´erˆet de la ventilation nocturne, s’appuyant sur des r´esultats exp´erimentaux et num´eriques [BSA97, KA99, GSTG99, Bre06]. Selon une ´etude r´ealis´ee au Royaume-Uni, ce proc´ed´e permet jusqu’`a 40% d’´economie

d’´ener-gie si le bˆatiment est optimis´e pour une ventilation naturelle traversante [KA99]. Blondeau et al. [BSA97] se sont ´egalement int´eress´es `a l’impact de la temp´erature de consigne sur les performances du syst`eme. Dans cette ´etude si la ventilation naturelle n’est pas suffisante la temp´erature de consigne est atteinte grˆace `a un syst`eme de rafraˆıchissement m´ecanique. La contribution de la ventilation naturelle n’est que de 12% pour une temp´erature de 22◦C mais atteint 54% pour une temp´erature de 26◦C.

Les performances ´etant tr`es variables selon les sollicitations climatiques locales et le type de bˆatiment (structure, orientation, g´eom´etrie du bˆatiment et des ses ouvrants . . . ) ces chiffres ne peuvent pas ˆetre g´en´eralis´es mais d´emontrent cependant l’int´erˆet de ce type de syst`eme. Nous observons ´egalement ici l’int´erˆet d’utiliser des indicateurs climatiques. Ce sont en effet les informations sur les ´evolutions de temp´erature et le profil de vent du site qui permettront d’opter pour une strat´egie ou pour une autre.

1.3.3 Exemples de bˆatiments ventil´es naturellement

Bien que la ventilation naturelle puisse encore ˆetre tr`es largement d´evelopp´ee, de nombreux bˆatiments situ´es sur le pourtour m´editerran´een exploitent cette ressource. Diff´erents ouvrages et publications pr´esentent des retours d’exp´eriences positifs de bˆatiments ventil´es naturelle-ment [AS98, GA05] et parfois dans des climats a priori d´efavorables [BLGB06, FS86]. La ventilation naturelle peut ´egalement ˆetre abord´ee du point de vue architectural. Kleiven [Kle03] ´etudie par exemple son influence dans la conception des bˆatiments et pr´esente diff´e-rents exemples de bˆatiments ventil´es naturellement. Dans le cadre du projet NatVent [KP98], 19 bˆatiments ont ´et´e ´etudi´es et les auteurs montrent qu’il est possible d’atteindre un confort thermique acceptable sans syst`eme actif compl´ementaire dans un bon nombre d’entre eux [Ber98].

Nous pr´esentons ici deux bˆatiments situ´es dans le bassin m´editerran´een et utilisant la venti-lation naturelle comme seule source de rafraˆıchissement.

Immeuble r´esidentiel en Catane (Italie)

Allard et Santamouris [AS98] pr´esentent un exemple d’utilisation des brises thermiques pour le rafraˆıchissement passif sur un immeuble r´esidentiel en Catane (Italie). Celui-ci dispose de deux ouvrants en fa¸cades oppos´ees et n’est rafraˆıchi que par ventilation naturelle, sans aucune assistance m´ecanique. Cela permet une diminution de la temp´erature int´erieure de l’ordre de 3◦C pour une utilisation standard du bˆatiment. Le climat local en Catane est tr`es chaud, avec des temp´eratures moyennes maximales pouvant d´epasser 30 ◦C durant les mois de juillet et d’aoˆut. Celles-ci retombent cependant la nuit, ce qui donne une amplitude thermique moyenne d’environ 10◦C et permet une utilisation efficace de la surventilation nocturne. Les auteurs pr´ecisent que cette strat´egie est particuli`erement adapt´ee pour des bˆatiments disposant de deux ouvrants en fa¸cades oppos´ees permettant d’exploiter les brises de mer et de terre avec des amplitudes thermiques importantes.

Bˆatiment d’h´ebergement de l’IESC en Corse

Climat Chaud sans Climatiser). Le bˆatiment se situe sur le site de l’IESC¹[IES] `a proximit´e de la mer et dont le climat se prˆete bien au rafraˆıchissement passif (Figure 1.4). Un des objectifs ´etait de disposer d’un bˆatiment confortable en ´et´e sans avoir recours au rafraˆıchissement actif, afin de minimiser les consommations ´energ´etiques. Le bˆatiment dispose pour cela d’un syst`eme de ventilation naturelle traversante dans chaque chambre. Il en ressort que l’inertie thermique coupl´ee `a la surventilation nocturne am´eliore consid´erablement le confort thermique au sein