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Solplan Review, 152, pp. 18-19, 2010-06-01
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L’ut ilisa t ion d’é ve nt s e t de c onduit s d’é va c ua t ion e n ve nt ila t ion
na t ure lle
N R C C - 5 3 5 3 0 f
M a c d o n a l d , I . A . ; O u a z i a , B . ; Z h o u , L .
j u i n 2 0 1 0
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Solplan Review, (152), pp. 18-19, juin 1, 2010
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L’utilisation d’évents et de conduits d’évacuation en ventilation naturelle* Par Iain Macdonald, Ouazia Boualem et Liang (Grace) Zhou
L’Institut de recherche en construction poursuit son étude sur les systèmes de ventilation mixte dans les habitations unifamiliales et, plus précisément, sur leur capacité à satisfaire les exigences des codes de construction, les normes relatives à la qualité de l’air intérieur et les attentes des occupants en termes de confort et d’efficacité énergétique. La ventilation mixte associe la ventilation naturelle à la ventilation mécanique.
L’étude sur la ventilation mixte de l’IRC-CNRC est d’autant plus importante que la ventilation et la climatisation représentent jusqu’à 50 % de la consommation énergétique d’une habitation et qu’elles ont un impact direct sur la santé et le confort des occupants. La ventilation naturelle a pour inconvénients ses échanges d’air frais excessifs ou insuffisants, lesquels entraînent irrémédiablement des déperditions d’énergie de chauffage ou de refroidissement. Plus facile à contrôler, la ventilation mécanique permet de récupérer la chaleur et de filtrer l’air, mais elle présente l’inconvénient de fonctionner à l’électricité et de contribuer ainsi aux émissions de gaz à effet de serre. Dans ce contexte, la ventilation mixte, qui associe les avantages de la ventilation mécanique et de la ventilation naturelle, apparaît comme une solution susceptible de réduire l’énergie utilisée pour ventiler les bâtiments. L’IRC-CNRC vise, par ses recherches, à développer de nouvelles stratégies de ventilation mixte adaptées aux maisons, avec ou sans distribution d’air intérieur fournie par le système de chauffage (à air pulsé) des habitations. Les essais réalisés dans le cadre de l’étude sur la ventilation mixte ont permis d’évaluer les taux de ventilation, les taux de distribution d’air, la consommation énergétique et le confort thermique de plusieurs configurations de ventilation mixte, dans autant de conditions météorologiques, et de comprendre la fonction et l’efficacité des conduits de ventilation et autres dispositifs de ventilation passive (couramment utilisés au Japon et en Scandinavie).
Essais
Les essais ont été réalisés dans une installation de recherches de deux étages du campus d’Ottawa, la Maison de recherche sur la ventilation et les murs de l’IRC-CNRC, où, grâce aux trois conduits d’évacuation (conduits d’extraction) et aux quatre évents (prises d’air frais) au sous-sol dotés de clapets mécaniques, les chercheurs ont pu tester plusieurs configurations de ventilation (figure 1).
Figure 1. Events et conduits d’extraction
First floor stack: conduit d’extraction du rez-de-chaussée Second floor stack: conduit d’extraction du premier étage Basement stack: conduit d’extraction du sous-sol
Mechanical extract from moist areas: extraction mécanique des zones humides
Passive ducts allowing air to leave building: conduits passifs assurant l’évacuation de l’air hors du bâtiment
Fresh air vent (one per wall): prise d’air frais (une par mur)
Air moves regularly through building: l’air circule librement dans le bâtiment
Pour les essais, le réseau de gaines d’alimentation en air pulsé de la Maison de recherche a été configuré en mode de ventilation régulée par zone. Pour évaluer les variations du taux de renouvellement d’air global, avec les évents et conduits d’évacuation à tirage naturel libres ou obstrués, les chercheurs de l’IRC avaient choisi deux systèmes de chauffage, un système de chauffage électrique à air pulsé et un système de chauffage radiant hydronique.
À l’aide d’un gaz de dépistage, les chercheurs ont également mesuré les caractéristiques du taux de renouvellement d’air dans 32 configurations de système de refroidissement à air pulsé (été 2008), 8 configurations de système de chauffage radiant hydronique et 16 configurations de système de chauffage à air pulsé (hiver 2009), avec les évents (prises d’air frais) et conduits d’évacuation à ventilation naturelle libres ou obstrués.
Comme le montre la figure 2, le système de chauffage radiant hydronique a été configuré en mode régulé par zone au rez-de-chaussée et au premier étage (température contrôlée par les thermostats installés dans les différentes pièces). Pour ventiler en mode régulé par zone les configurations de chauffage radiant hydronique, les chercheurs ont climatisé les espaces avec le système de chauffage hydronique tout en laissant en marche le ventilateur du générateur d’air chaud.
Figure 2. Chauffage radiant hydronique au rez-de-chaussée et au premier étage Mechanical extract from moist areas: extraction mécanique des zones humides
Underfloor hyronic radicant heating system: système de chauffage radiant hydronique par le plancher
Résultats
Pendant l’été, les configurations évents/conduits d’évacuation ont été évaluées alors que les espaces étaient climatisés. Les résultats présentés à la figure 3 montrent que le taux de renouvellement d’air le plus important a été réalisé grâce à la combinaison conduit d’évacuation du premier étage (sortie)/évent du sous-sol (ouest) (entrée). Les évents, parce qu’ils étaient davantage exposés, ont été plus affectés par la direction du vent que les conduits d’évacuation. L’exposition des évents explique également les différences dans leur performance respective. La prochaine étape de l’étude devra viser à rendre les évents plus réactifs à la direction du vent (voir Prochaines étapes).
Figure 3. Renouvellement d’air pour les évents et les conduits d’évacuation Effect (change in cfm) : effet (renouvellement enpi³/min)
Basement N, W, S, E: sous-sol N, O, S, E
Basement stack: conduit d’évacuation du sous-sol
First floor stack: conduit d’évacuation du rez-de-chaussée Second floor stack: conduit d’évacuation du premier étage
Pendant l’hiver, les combinaisons évents/conduits d’évacuation ont été évaluées avec le système de chauffage électrique à air pulsé et le système de chauffage radiant hydronique, alors que le ventilateur à air pulsé était en marche. Les combinaisons évents/conduits d’évacuation ont exercé plus d’influence sur le taux de renouvellement d’air de la maison avec le système de chauffage à air pulsé qu’avec le système de chauffage radiant hydronique, et l’effet le plus notable a été celui du conduit d’évacuation du premier étage.
Les essais hivernaux confirment le principe de base selon lequel l’effet cheminée augmenterait avec la distance qui sépare les évents des conduits d’évacuation et la différence de température entre l’air extérieur et l’air intérieur. En conséquence de quoi, le conduit d’évacuation du premier étage a fourni une ventilation supérieure à celle des autres conduits d’évacuation.
Les différences de performance des configurations de ventilation naturelle pour le système de chauffage hydronique et le système de chauffage électrique à air pulsé ne peuvent pas
s’expliquer par cette première série d’essais et devront faire l’objet de recherches plus poussées (voir Prochaines étapes).
Les résultats obtenus montrent:
1) qu’il est effectivement possible d’associer la ventilation passive à la ventilation mécanique pour réduire la consommation d’énergie, sans compromettre la qualité de l’air intérieur;
2) que la ventilation mixte représente une solution éconergétique à la ventilation des bâtiments.
Prochaines étapes
Les futurs travaux porteront sur le contrôle des clapets et l’impact énergétique des systèmes passifs et des systèmes CVC standard. L’IRC-CNRC effectuera de nouveaux essais (16 essais complets avec les deux systèmes de chauffage déjà testés) au cours de l’hiver 2010-2011, pour mesurer la consommation d’énergie de chauffage et de ventilation et comprendre l’impact des variations dans les configurations évents/conduits d’évacuation sur le taux de renouvellement d’air avec ces mêmes deux systèmes de chauffage. Il conviendra également, lors des prochaines étapes, de réfléchir à de nouvelles stratégies de contrôle capables de fournir une ventilation mixte efficace indépendamment de la direction et de la force du vent (évents passifs mus par la vitesse et la direction du vent, par exemple) et à de nouveaux moyens mécaniques capables d’assister, si besoin est, la ventilation naturelle.
*L’étude décrite ici a fait l’objet d’un article dans Solplan Review (septembre 2006).
Pour de plus amples renseignements sur la ventilation, veuillez communiquer avec Iain Macdonald, tél.: 613-993-9676; courriel: iain.macdonald @ nrc-cnrc.gc.ca.
Pour de plus amples renseignements sur le chauffage radiant, veuillez communiquer avec Boualem Ouazia, tél.: 613-993-9613; courriel: boualem.ouazia @ nrc-cnrc.gc.ca.
Iain Macdonald, Boualem Ouazia et Grace Zhou sont chercheurs au sein du programme Environnement intérieur de l’Institut de recherche en construction.
