Enjeux de la ventilation naturelle des bˆ atiments
1.6 M´ ethodes de mesure pour la d´ etermination du d´ ebit d’air
Cette section introduit diff´erentes m´ethodes pour mesurer le d´ebit d’air dans un bˆatiment.
Ce type de mesure est g´en´eralement r´ealis´e dans des bˆatiments ferm´es utilisant un syst`eme de ventilation m´ecanique contrˆol´ee. Cela devient beaucoup plus compliqu´e d`es lors que l’on s’int´eresse `a un bˆatiment ventil´e naturellement. Le d´ebit d’air sera dans ce cas d´ependant du profil du vent, ressource tr`es fluctuante, et dont les interactions avec le bˆatiment sont com-plexes.
Les diff´erentes informations tir´ees de cette ´etude guideront les choix pour la suite tels que l’instrumentation `a mettre en place dans le bˆatiment et les m´ethodes d’exploitation des don-n´ees.
Deux solutions sont envisageables pour d´eterminer le d´ebit d’air : la mesure directe et la mesure indirecte. Selon la m´ethode utilis´ee, celui-ci peut ˆetre exprim´e envol/h ou en m3/h.
Ces deux expressions sont simplement li´ees par :
Q[vol/h] = Q[m3/h]
V olume (1.3)
Le volume de la pi`ece ´etant un param`etre toujours connu, nous ne ferons pas de distinction entre les m´ethodes permettant de d´eterminer directement le d´ebit sous l’une de ces deux formes.
De nombreux documents r´epertorient diff´erentes m´ethodes pour caract´eriser le d´ebit d’air dans un bˆatiment [McW02, AHL+92, RV91, SC87]. Nous nous concentrerons ici sur les mesures directes par gaz traceur ainsi que les mesures indirectes par int´egration du champ de vitesse.
1.6.1 La mesure directe par gaz traceur
1.6.1.1 Principe de mesure
Il existe plusieurs m´ethodes de mesure faisant intervenir diff´erentes techniques d’injection du gaz traceur [Ene12] :
1. La premi`ere consiste `a injecter au tempst0 une dose donn´ee de gaz, donnant lieu `a une concentrationC0 de gaz dans l’ambiance. La concentration de gaz diminue ensuite en fonction de l’apport d’air neuf dans le local. Elle est alors mesur´ee `a plusieurs instants successifs et `a plusieurs endroits dans la pi`ece. Au temps t1, la vitesse de d´ecroissance de la concentration en gaz traceur (C1) est une mesure du taux de renouvellement d’air :
Q= ln(C0−C1)
t0−t1 (1.4)
2. La deuxi`eme m´ethode consiste `a injecter en permanence un gaz traceur pour maintenir une concentration (C) de gaz constante. L’injection est donc command´ee par un r´egu-lateur, selon les sondes de mesure. Le d´ebit d’air neuf (Q) du local est proportionnel au d´ebit de gaz inject´e (Qg) :
Q= Qg
C (1.5)
3. La troisi`eme m´ethode, peu on´ereuse, donne ´egalement de bons r´esultats. Elle consiste `a injecter un gaz traceur (compos´e organique cyclique perfluor´e) au moyen d’une cellule `a effusion, c’est-`a-dire une petite capsule remplie de gaz liquide et ferm´ee par un bouchon de caoutchouc perm´eable au gaz. Un tr`es faible flux de traceur est ainsi diffus´e dans la zone `a analyser. En un autre endroit de cette zone, une cellule contenant du charbon actif adsorbe le gaz ´emis. Plus le taux de renouvellement d’air de la zone est faible, plus la concentration en traceur dans l’air et donc dans le charbon actif est ´elev´ee.
Apr`es une p´eriode pouvant aller de quelques heures `a quelques semaines, les capsules de charbon actif sont ferm´ees et analys´ees par un laboratoire. On en d´eduit le taux de renouvellement d’air moyen de la zone.
1.6.1.2 Les diff´erents types de gaz traceurs
Les gaz traceurs g´en´eralement utilis´es sont des gaz non toxiques dont la concentration est fa-cilement analysable en faible quantit´e dans l’air. Les gaz les plus utilis´es sont l’hexafluorure de soufre (SF6), le protoxyde d’azote (N2O) et le gaz carbonique (CO2) [Rou04]. Selon Etheridge et Sandberg [ES96] aucun gaz traceur ne remplit toutes les conditions pour une utilisation optimale, `a savoir :
— Ne pas ˆetre un constituant existant dans l’environnement `a ´etudier.
— Facilement mesurable, de pr´ef´erence `a faible concentration.
— Non toxique pour permettre une utilisation dans un espace occup´e.
— Non r´eactif et non inflammable.
— ´Economique.
L’inconv´enient de ces m´ethodes de mesures directes est qu’elles sont difficilement utilisables en continu sur de longues p´eriodes. Les d´ebits ´elev´es pouvant ˆetre atteints en ventilation naturelle impliquent une consommation importante de gaz traceur et le coˆut de ce type d’ins-trumentation est ´egalement tr`es important. Cette approche est donc peu adapt´ee pour une instrumentation d’un bˆatiment destin´ee `a la mise en place de mod`eles a´erauliques. Elles sont par contre tr`es largement utilis´ees dans le domaine scientifique pour des tests ponctuels, sur de courtes p´eriodes, et permettent d’obtenir rapidement un ordre de grandeur du d´ebit [BBRM99, SSA+08, NNN10, CSM11, SLF+11, LWGR13].
1.6.2 La mesure indirecte
1.6.2.1 Mesure par int´egration du champ des vitesses
Cette m´ethode n´ecessite d’´etablir un maillage en vitesse au niveau de l’ouvrant. Pour cela il faut donc mesurer la vitesse simultan´ement en diff´erents points. Le calcul du d´ebit se fait ensuite par int´egration du champ des vitesses. On trouve dans la litt´erature plusieurs appli-cations [Fra92, JF00], mais ces mesures sont g´en´eralement effectu´ees dans des conduits o`u l’´ecoulement est permanent ou lentement variable.
Une condition essentielle `a l’utilisation de cette m´ethode est que le fluide ´etudi´e soit incom-pressible et homog`ene, ou puisse ˆetre consid´er´e comme tel. C’est le cas pour l’air lorsque les vitesses sont inf´erieures `a 70 m/s [Fra92].
De fa¸con g´en´erale, le calcul repose sur une simple int´egration spatio-temporelle : Q(t,∆t) =
t V dtla vitesse moyenne du fluide entret ett+ ∆tet S la section travers´ee par l’´ecoulement.
Les m´ethodes de calcul varient ensuite en fonction de certains param`etres tels que la g´eom´etrie de l’ouverture et le type d’´ecoulement.
Jiang et al. [JAJ+03, JC01] utilisent cette m´ethode pour d´eterminer le taux de renouvellement d’air dans un bˆatiment ventil´e naturellement. Dans leurs ´etudes la formulation suivante est utilis´ee : dans les directionsy et z,unj,k est la composante normale instantan´ee de la vitesse au temps tn etN est le nombre total de pas de temps pour lesquels le d´ebit est calcul´e.
La pr´ecision de cette m´ethode d´ependra du nombre de mesures r´ealis´ees, de l’emplacement des capteurs et de leur pr´ecision. Une connaissance du profil de l’´ecoulement au niveau de l’ouverture est ´egalement pr´ef´erable de fa¸con `a optimiser ces param`etres. Il faut aussi veiller
`
a l’ad´equation entre les temps de r´eponse des appareils de mesure et le temps d’int´egration.
Diff´erents types d’´ecoulements
La connaissance de la nature de l’´ecoulement est un param`etre important pour l’utilisation de ce type de m´ethode et pour la mise en place d’une instrumentation pertinente. Avant tout, nous rappelons quelques d´efinitions de termes qui seront utilis´es par la suite :
— Ecoulement unidirectionnel :´ ´ecoulement dont la vitesse de toutes les particules du fluide est parall`ele `a une direction fixe pour tout instantt. Les ´ecoulements dans les conduites de longueur suffisamment importantes sont consid´er´ees comme unidirectionnels.
— Ecoulement uniforme :´ ´ecoulement dont la vitesse de toutes les particules sont iden-tiques et ne d´ependent pas de leur position.
— Ecoulement permanent :´ ´ecoulement dont la vitesse des particules et de la masse volu-mique du fluide ne d´ependent pas du temps.
— Ecoulement laminaire :´ ´ecoulement dont les particules ont une vitesse parall`ele aux parois du contenant.
— Ecoulement turbulent :´ ´ecoulement dont certaines particules ont des vitesses non pa-rall`eles aux parois du contenant. Ce type d’´ecoulement est caract´eris´e par la pr´esence de tourbillons (Figure 1.8). Un ´ecoulement est dit turbulent lorsque que son nombre de Reynolds (Re) est sup´erieur `a 3000. Celui-ci est d´efinit par la relation :
Re= ρ v D
η = v D
ν (1.8)
O`uρ est la masse volumique du fluide,vsa vitesse moyenne,η sa viscosit´e dynamique, ν sa viscosit´e cin´ematique et Dle diam`etre de la conduite.