Systèmes de renouvellement d’air

Lors de l’émanation de polluants, il convient dans un premier temps de réduire la concentration dans l’air intérieur afin de préserver la santé des individus présents tout en se conformant aux valeurs maximales ou limites d’exposition imposées par la réglementation. Cela entraîne la nécessité de renouveler l’air chargé en polluants via la ventilation. Différentes stratégies peuvent être mises en place afin de renouveler l’air vicié, et apporter un air neuf dans les bâtiments.

III.1.A. La ventilation naturelle

La ventilation naturelle fait intervenir les débits d’air entre l’intérieur et l’extérieur des bâtiments de façon naturelle sans qu’aucune opération faisant intervenir des procédés mécaniques ne soit employée. Ce type de ventilation est obtenu grâce aux différences de pression autour du bâtiment et est régi par deux phénomènes principaux :

- l’effet du vent : des différences de pression apparaissent sur la façade face au vent, en surpression, et sur les façades sous le vent en dépression. Cette différence permet de créer un balayage de l’air à travers les différentes ouvertures tel que les fenêtres, les débouchés de conduit et les défauts d’étanchéité. Le flux d’air ainsi créer va des zones en surpression vers celles en dépression (Russell et al., 2007) ;

- l’effet du gradient de température appelé aussi tirage thermique : les différences de températures entre l’intérieur et l’extérieur du bâtiment engendrent des différences de

53 densité de l’air et donc un gradient de pression dans ces deux zones, à l’origine de la circulation d’air. Ainsi, lorsque l’air intérieur est plus chaud que l’air extérieur, l’air va circuler par les ouvertures de la partie basse du bâtiment et ressortir par les ouvertures de la partie haute (Concannon, 2002).

Ces deux forces motrices sont variables dans le temps et l’espace ce qui rend difficile le contrôle des débits d’air engendrés. Ces deux moteurs de ventilation agissent simultanément et peuvent avoir des effets combinés ou opposés. Ainsi la différence de pression totale entre l’intérieur et l’extérieur du bâtiment résulte des effets simultanés du vent et du tirage thermique. Cependant, il est considéré qu’au-delà de 3 m.s-1_{, l’action du vent devient} prédominante sur les autres forces motrices des systèmes de ventilation (Concannon, 2002). En hiver, les occupants ont tendance à laisser fermer les fenêtres, ce qui nuit à la QAI, et en cas d’ouverture, les débits de ventilation sont souvent trop importants par rapport à ce qui est nécessaire en raison d’un fort tirage thermique, ce qui augmente la consommation énergétique et accroît le risque de courant d’air froid. En été, les débits de ventilation peuvent être très faibles, pouvant entraîner des surchauffes et une accumulation des polluants dégradant de fait la QAI (Dhalluin, 2012).

La ventilation naturelle dépend également des ouvertures présentes dans le bâtiment. Ainsi, elle peut être définie comme étant « mono-façade », lorsque toutes les ouvertures sont disposées d’un seul côté de l’espace ventilé, ou « traversante », lorsqu’elles sont disposées sur des façades opposées.

III.1.B. La ventilation mécanique contrôlée (VMC)

La ventilation mécanique consiste à forcer l’apport et/ou l’extraction de l’air de façon régulière ou périodique à l’aide d’un ou plusieurs ventilateurs, afin d’assurer un renouvellement d’air suffisant et maîtrisé.

III.1.B.a. La VMC simple - flux par extraction

Pour ce système, le bâtiment ou la pièce traitée est mis en dépression, ainsi l’air circule des entrées d’air prévues en façade vers les bouches d’extraction, à l’aide d’un ventilateur. Cela permet l’extraction des polluants directement à la source d’émission (Figure 1-5-a). Ce système, relativement simple de conception et facile d’entretien, est largement répandu dans le résidentiel neuf (Lucas et al., 2009). La mise en dépression de la pièce ou du bâtiment permet également de réduire les transferts d’humidité à travers les parois, mais elle accroît les infiltrations et le risque de transfert des polluants de l’extérieur, surtout du sol comme le radon (Liddament, 1996).

54 Ce système n’est cependant pas adapté aux bâtiments situés dans des environnements bruyants, pollués ou encore des bâtiments de grande hauteur, en raison de l’absence de filtration de l’air neuf, d’un isolement acoustique limité des entrées d’air et d’une distribution des flux aléatoire. Son utilisation est également limitée dans les locaux à forte occupation continue, en raison de l’inconfort et des déperditions de chaleur trop importantes associés aux débits imposés par la réglementation en hiver (Dhalluin, 2012).

III.1.B.b. La VMC simple - flux par insufflation

Dans cette configuration, un ventilateur insuffle de l’air neuf directement dans les pièces principales des logements, et l’air vicié est évacué par des bouches d’extraction naturelles dans les pièces de service ou en façade du bâtiment (Figure 1-5-b). Contrairement au procédé en flux par extraction, le système par soufflage met ainsi le bâtiment en surpression par rapport à l’environnement extérieur et permet de limiter les infiltrations de l’air. Il présente également la possibilité de préchauffer et de filtrer l’air neuf pour réduire le transfert des polluants de l’air extérieur avant sa distribution.

Cependant, ce système ne permet pas d’extraire les polluants à la source d’émission et la mise en surpression peut entraîner le transfert de l’humidité et donc la condensation dans les parois. Malgré un isolement acoustique aux bruits extérieurs légèrement meilleur que le système par extraction, la présence de grilles de transfert de capacités importantes sur les ouvertures, pose encore des problèmes acoustiques et la circulation de l’air reste difficile à contrôler. Ce système de ventilation mécanique est rarement utilisé dans le résidentiel existant ou neuf (Concannon, 2002).

III.1.B.c. La VMC double flux

Ce système est la combinaison des procédés d’insufflation et d’extraction mécanique. Il est composé de deux ventilateurs indépendants avec deux réseaux de conduits séparés, l’un pour le soufflage d’air neuf et l’autre pour l’extraction de l’air vicié (Figure 1-5-c). Dans les logements, le soufflage et l’extraction se font respectivement dans les pièces principales et les pièces de service.

La VMC double flux permet ainsi une meilleure maîtrise des débits d’air qui peuvent être plus facilement modulés. L’équilibre des débits rend ce système efficace et peu dépendant des défauts d’étanchéité. Toutefois, en cas de déséquilibre, il est préférable d’être en légère dépression plutôt qu’en légère surpression, qui présenterait les inconvénients d’un système à insufflation seule. Ce système permet, via un échangeur de chaleur et/ou un système de recyclage, la récupération de chaleur sur l’air extrait ce qui minimise les pertes de chaleur par

55 ventilation. Il est donc largement utilisé dans les pays à climat froid tel que les pays scandinaves (Mansson, 1995). Ce système de ventilation présente également l’avantage de permettre le traitement de l’air neuf par l’ajout de filtre, et permet un meilleur isolement acoustique par rapport à l’extérieur.

En revanche, ce système nécessite un investissement initial plus important, ainsi qu’une maintenance régulière du réseau aéraulique. Une bonne étanchéité de l’enveloppe ainsi qu’un bon équilibre des flux d’air sont également requis afin de réduire les pertes en débits d’air par infiltration ou par exfiltration et de garantir une bonne efficacité du système. Enfin, les consommations électriques des éléments tels que les ventilateurs, la batterie de préchauffage, etc. et le bruit généré par ce type d’installation sont plus importants que les autres systèmes de VMC simple flux (Dhalluin, 2012).

Figure 1-5 - Principe des ventilations mécaniques contrôlées

III.1.C. La ventilation hybride

La ventilation hybride consiste à combiner la ventilation naturelle et mécanique. Cette stratégie de ventilation nécessite donc un système de contrôle gérant notamment le passage d’un mode de ventilation à l’autre afin de minimiser les dépenses énergétiques et de fournir une bonne qualité des ambiances intérieures. Trois types de ventilation hybride sont différenciés par (Heiselberg, 2002) cité par (Dhalluin, 2012) :

- la ventilation naturelle assistée : il s’agit d’un système de ventilation naturelle assisté par un ou plusieurs ventilateurs à basse pression fonctionnant en extraction ou insufflation. Les ventilateurs se déclenchent lorsque les forces du tirage thermique et du vent ne sont pas suffisantes pour assurer les débits d’air requis ;

- la ventilation mécanique assistée : elle est constituée d’un système de ventilation mécanique avec des ventilateurs fonctionnant en extraction et à basse pression. Le tirage thermique et l’effet du vent sont utilisés pour compenser les débits d’air limités des ventilateurs basse pression ;

56 - l’alternance de la ventilation naturelle et de la ventilation mécanique : les deux systèmes de ventilation sont alors complètement dissociés et fonctionnent chacun leur tour.

Ces systèmes intelligents sont plus compliqués à mettre en place, souvent plus volumineux mais aussi plus coûteux en investissement qu’un système de VMC « classique ». Les réglementations incendies et acoustiques peuvent être des freins à l’utilisation de la ventilation hybride, notamment dans le cas d’un relais à une ouverture en façade en zone urbaine. Enfin, avec ces systèmes, il existe des risques de court-circuit concernant la circulation de l’air dans les locaux (Dhalluin, 2012).

III.1.D. Recyclage de l’air

Le recyclage de l’air est utilisé surtout pour des ventilations de type double flux, ainsi que dans les CTA qui comportent souvent un caisson de mélange (Bailly et al., 2001b). Il consiste à récupérer une partie de l’air intérieur extraite et de mélanger une fraction de cet air avec l’air neuf insufflé. Le système doit adapter le recyclage en fonction de la qualité de l'air à recycler. Une position correcte du volet d'air neuf est nécessaire pour éviter la sous-ventilation. Le principal risque de l’utilisation d’un système avec recyclage est une mauvaise élimination ou une accumulation des polluants. L’étanchéité du caisson de mélange servant au recyclage doit être correcte pour éviter les contaminations de polluants (Koffi, 2009). Un système de traitement, généralement de la filtration sur média fibreux, est nécessaire.

L’utilisation du recyclage permet cependant une économie d’énergie étant donné que l’air extrait est partiellement mélangé à l’air insufflé. Un équilibre thermique se crée alors dans le caisson de mélange. Par conséquent, cela limite les risques de courants d’air froid sur le soufflage d’air neuf, et minimise les pertes de chaleur par ventilation, moins d’énergie est à fournir ou enlever au système par les appareils de régulation thermique (Dhalluin, 2012).