Choisir un système de ventilation énergétiquement performant

Quelles contraintes au niveau de la mise en œuvre du système de ventilation ?

Ventilation naturelle (système A)

L'entrée d'air se fait par des aérateurs de châssis ou des grilles murales, plus ou moins discrètes selon les modèles. Le transfert dans le bâtiment est généralement réalisé par un détalonnement des portes d'environ 1 cm ou des grilles de transfert dans les portes.

Système A

© Architecture et Climat - LOCI – UCL

L'extraction doit impérativement se faire par des cheminées correctement dimensionnées, débouchant près du faîte, après un parcours le plus vertical possible. Il s'agit là d'une contrainte importante, surtout si les locaux humides, où s'effectue l'extraction, ne sont pas regroupés. Il sera donc nécessaire de réfléchir aux mouvements d'air dans le bâtiment dès l'esquisse.

Les déplacements d'air dans un bâtiment peuvent être créés de deux manières: en utilisant la pression du vent ou par effet cheminée.

La pression du vent ou l'effet du vent, dépend des facteurs suivants :

• La vitesse du vent
• La direction du vent dominant et l'orientation du bâtiment
• La hauteur du bâtiment
• L'environnement (obstacles)

L'effet cheminée correspond au mouvement ascendant de l'air intérieur dans un bâtiment ou une trémie sous l'influence de la différence de densité entre l'air chaud intérieur et l'air froid extérieur. Cet effet joue un rôle important en hiver et durant la nuit. Le mouvement de l'air assure l'apport d'air neuf en partie inférieure du bâtiment ou de la trémie tandis qu'il pousse l'air chaud en partie supérieure vers l'extérieur. Ce déplacement d'air est d'autant plus important que la température intérieure est élevée et que la différence de hauteur entre les ouvertures d'amenée et d'évacuation de l'air est grande.

Le dossier Appliquer une stratégie de refroidissement passif donnent également des informations sur l'effet cheminée.

Sur un bâtiment, les forces motrices naturelles en présence sont l'effet du vent (1) et l'effet cheminée (2).

 

Ventilation mécanique simple flux par pulsion (système B)

L'entrée et le passage de l'air dans le logement se font de la même façon que pour le système A. La pulsion est réalisée au moyen de ventilateurs, tandis que l'extraction se fait par des cheminées naturelles. Ce système est contraignant en termes d'encombrement, car il faut à la fois un réseau de pulsion et des cheminées naturelles verticales. Cet encombrement n'est pas compensé par le bénéfice d'une récupération de chaleur. Il n'est que très rarement rencontré en pratique.

Système B

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Ventilation mécanique simple flux par extraction (système C)

L'entrée et le passage de l'air dans le bâtiment se font de la même façon que pour le système A. L'extraction est réalisée au moyen de ventilateurs qui, pour assurer une bonne ventilation, doivent tourner en permanence. Cela peut occasionner un inconfort au niveau acoustique si les ventilateurs, souvent bruyants, sont placés à proximité des locaux d'évacuation. Pour cette raison, il est conseillé de réaliser un réseau d'extraction menant à un ventilateur centralisé situé à un endroit où son bruit ne constituera pas une nuisance (combles, caves et débarras pour le logement, local technique spécifique pour les bâtiments tertiaires de plus grande dimension).

Système C

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Dans le cadre de logement, les gaines d'extraction d'une quinzaine de centimètres de diamètre peuvent facilement être placées dans une gaine technique commune pour autant que les locaux humides où s'effectue l'extraction soient proches les uns des autres. Les réseaux d'extraction de bâtiments tertiaires de plus grande dimension sont en général encombrants du fait des débits de ventilation hygiénique plus élevés. Le tracé du réseau d'extraction devra tenir compte de l'encombrement de ces conduites ; les faux-plafonds, les gaines techniques et le local technique devront être suffisamment grands pour garantir les débits hygiéniques minimaux.

Un autre désagrément de ce système est que, en cas de fermeture des grilles par l'occupant, l'extraction mécanique continuera de tourner. Cela mettra le logement ou le local en sous-pression. Dans les logements, cela peut occasionner des courants d'air par exemple depuis les hottes de cuisine (transfert d'odeurs), des claquements de porte, etc. Ce désagrément peut également survenir avec un système A. Ces deux systèmes ne permettent par ailleurs pas de contrôle précis des débits d'air amené.

En cas de choix d'un système C, il convient également de tenir compte des risques d'intrusion dans le bâtiment dans la conception des ouvertures de ventilation.

Ventilation hybride

Il s'agit d'une version « intelligente » des systèmes A et C. Elle est rarement utilisée dans le logement mais de plus en plus dans le cadre de bâtiments tertiaires répondant au critère basse énergie. L'amenée d'air se fait via des ouvertures motorisées en façade, qui permettent une régulation plus fine de la quantité d'air frais introduite dans le bâtiment, et l'extraction d'air se fait, autant que possible, de manière naturelle. Un réseau d'extraction doit alors être prévu : une cheminée thermique assure l'extraction naturelle de l'air lorsque le tirage naturel est suffisant ; un ventilateur au sommet de la cheminée assure que les débits minimaux sont garantis. Le dimensionnement de la cheminée thermique est fonction des débits à extraire, qui peuvent être importants dans les bâtiments tertiaires. En cas de débit trop important, les cheminées devront être dédoublées.

Principe de ventilation hybride

Source : Cenergie

Ventilation mécanique double flux (système D)

Le système double flux demande un réseau de distribution d'air neuf vers les locaux adéquats. Souvent, celui-ci circule dans un faux-plafond au niveau des circulations et halls d'entrée, ou dans les combles. De plus, pour limiter le coût de l'installation et assurer un fonctionnement optimal, on cherchera à rationnaliser au maximum le réseau de distribution. Il faudra donc réfléchir à cet aspect technique dès l'avant-projet, en veillant à des regroupements adéquats de locaux et à la liaison aisée au réseau de tous les espaces.

Système D

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D'autres contraintes telles que l'entretien et la nécessité d'étanchéité à l'air caractérisent également les différents systèmes de ventilation :

En comparaison avec le système A, les systèmes C, D et la ventilation hybride demandent plus d'entretien. Les conduites, les auxiliaires (ventilateurs), l'éventuel récupérateur de chaleur, les filtres sont autant d'éléments qui, s'ils ne sont pas contrôlés régulièrement, peuvent diminuer la qualité de l'air et la performance du système de ventilation. Ils doivent faire l'objet d'une attention particulière au moment de la conception pour en permettre un contrôle et un entretien régulier et aisé par après.

Etanchéité à l'air : pour être efficaces, les systèmes de ventilation mécaniques nécessitent une certaine étanchéité à l'air du bâtiment. Dans le cadre d'un système D avec récupération de chaleur, un niveau d'étanchéité n50 (renouvellement d'air par une différence de pression de 50 Pa) de 1 vol/h maximum est requis.

Hottes de cuisine

En cas de mise en œuvre d'un système D, le placement d'une hotte classique (hotte à extraction) peut s'avérer problématique. En effet, outre les problèmes d'étanchéité à l'air que ce système peut générer, la gestion des débits et la propreté du système peuvent également s'avérer problématique. D'une manière générale, on évitera de connecter les hottes au réseau de ventilation hygiénique, ceci afin d'éviter un encrassement prématuré des conduites ainsi que des problèmes liés aux hautes températures des vapeurs.

Avec les logements de plus en plus étanches à l'air, la mise en route d'une hotte peut conduire à des dysfonctionnements plus ou moins importants des systèmes de ventilation :

• Forts débits introduits dans les pièces principales à des moments où on n'en n'a pas besoin (d'où des pertes énergétiques);
• Inversion des débits dans les salles de bains ou les toilettes (impact sur la qualité d'air);
• Dépression élevée dans l'ensemble du logement (air entrant davantage par les fuites, portes qui claquent,...) ;
• Mauvais fonctionnement du tirage de la hotte.

Dans le logement , on préférera l'installation de hottes à filtre charbon sans rejet vers l'extérieur (tout en gardant à l'esprit que l'évacuation de l'humidité doit alors être également étudiée).

Dans les installations de cuisine plus importantes , on envisagera la mise en œuvre d'une solution globale : celle-ci comprend une hotte spéciale raccordée à une unité de ventilation qui assure une amenée d'air supplémentaire pris à l'extérieur par un conduit séparé . Cette pulsion d'air frais se fait uniquement lorsque le débit d'extraction est demandé par l'utilisateur. Cette hotte rassemble à la fois le caisson de ventilation classique et la hotte de cuisine classique : on parle de hotte à compensation . Bien entendu, il faut que la gaine de pulsion et d'extraction puisse être étanche à l'arrêt de la hotte par des clapets étanches.

Source : Fiche Bâtiments exemplaires 2.1

Pourquoi la ventilation non contrôlée n'est-elle pas adéquate ?

La ventilation manuelle par les fenêtres est une ventilation intensive périodique qui permet une élimination rapide des polluants émis dans l'ambiance. Elle est inadéquate pour assurer une ventilation de base continue car :

• Elle est liée à la bonne volonté des occupants.
• Elle est intermittente, alors que l'émission de polluants est permanente, ce qui signifie qu'entre les périodes d'ouverture et les périodes de fermeture le taux de CO2 par exemple fluctuera fortement dans le local et dépassera bien souvent les limites admises. Par exemple, dans une classe normalement occupée et ventilée uniquement aux intercours, ces limites sont atteintes après un quart d'heure d'occupation (voir illustration ci-dessous).

 

En haut : concentration en CO2 dans une classe aérée uniquement lors de la récréation. En bas : concentration en CO2 dans une classe ventilée mécaniquement en permanence

 

 

Source : CETIAT

• Elle est source d'inconfort pour les occupants étant donné les débits importants d'air neuf, froid en hiver.
• Elle est difficilement réglable. Le débit n'est donc ni régulier ni contrôlé.
• Elle est énergivore : en hiver et à la mi-saison, le volume d'air froid entrant doit être chauffé pour garantir le maintien d'une température confortable dans les locaux

Régulation en fonction des besoins

Selon le mode de ventilation choisi, on pourra mettre en place une régulation plus ou moins fine et adaptée aux besoins, à l'occupation du bâtiment. En effet, les débits de pulsion et les débits d'extraction peuvent, avec certains modes de ventilation, être adaptés grâce à des sondes ou des capteurs et ainsi coller au mieux avec les débits nécessaires pour assurer le confort respiratoire.

Contraintes liées au choix du mode de ventilation

Synthèses éléments techniques

Encombrement

Du point de vue des contraintes constructives et de l'intégration dans le bâtiment, ce qui différencie principalement les différents systèmes de ventilation est leur encombrement. En effet, selon le système choisi, on devra prévoir des cheminées permettant une bonne extraction naturelle, ou des faux-plafonds pour y placer les conduits de pulsion et/ou d'extraction,…

Cette contrainte peut s'avérer déterminante notamment dans le cadre de rénovations.

Caractéristiques : Rénovation

Entretien

Les systèmes C et D ainsi que la ventilation hybride nécessitent de placer des moteurs et des filtres qui nécessitent un entretien régulier pour garantir le bon fonctionnement de l'installation. Cet aspect ne doit pas être négligé au moment du choix du système de ventilation.

Etanchéité à l'air

D'une manière générale, on étudiera l'enveloppe du bâtiment de manière à limiter les infiltrations d'air non contrôlables et ainsi dimensionner les systèmes de ventilation sur base des débits d'air neuf hygiénique exclusivement.

Voir à ce sujet le dossier Améliorer l'étanchéité à l'air.

Lorsqu'un récupérateur de chaleur est mis en œuvre sur un système D, une attention supplémentaire doit être accordée à l'étanchéité à l'air du bâtiment. En effet, les fuites de l'enveloppe peuvent faire diminuer le rendement du récupérateur de manière importante et rendre le système installé extrêmement peu rentable.

Pour obtenir un système performant, une attention particulière doit également être fournie à l'étanchéité à l'air du réseau de ventilation. A titre d'illustration, en cas de perte de débit de 5% à travers les inétanchéités du circuit, la consommation d'énergie augmentera de 16%

Rénovation vs construction neuve

D'un point de vue théorique, les différents systèmes peuvent être appliqués tant en construction neuve qu'en rénovation. Néanmoins, certains éléments tels que l'encombrement et l'étanchéité à l'air peuvent limiter l'applicabilité et/ou la rentabilité de la ventilation hybride ou du système D en pratique. Chaque projet, en particulier le projet de rénovation, devra faire l'objet d'une analyse détaillée afin de déterminer le système le plus approprié à mettre en œuvre.

Choix du mode de ventilation en fonction de ses potentialités

Permettre une régulation fine des débits

Réguler les débits sur base de l'humidité

Un système de ventilation C ou D permet d'intégrer une régulation sur base de l'humidité présente dans les locaux. Ceci est particulièrement intéressant dans le cadre des logements où la production d'humidité due à l'activité peut être importante (utilisation de la cuisine ou de la salle de bains). Sur un réseau dimensionné de façon classique sont installés des bouches de ventilation et éventuellement des aérateurs de châssis dont l'ouverture est variable en fonction de l'humidité dans le local. On parle de bouches « hygroréglables ». Une mesure de pression dans le réseau d'extraction module la vitesse du ventilateur. Ceci permet, lorsque le logement est peu occupé, par exemple les journées en semaine, de réduire le débit à une fraction de sa valeur de base et donc de faire des économies d'énergie.

Ces techniques sont assez récentes. Leur intérêt énergétique est clair, mais elles peuvent poser certaines questions sur la qualité de l'air. Par exemple, la nuit, le dégagement d'humidité dans les chambres n'est pas perçu par les bouches d'extraction de la salle de bain, qui logiquement réduiront le passage d'air. En conséquence, comme les deux locaux sont « en réseau », le niveau de ventilation diminuera dans la chambre également… Il faudra être attentif à la qualité de l'air dans les logements où ce système est installé, pour pouvoir juger de sa performance sur des cas concrets.

Gérer les débits de manière précise

Diminuer les besoins de chaleur

Récupérer la chaleur sur l'air extrait

Combiner la ventilation hygiénique à un puits canadien

Un système D permet de profiter d'un puits canadien et de récupérer la chaleur du sol. Ceci permet une intéressante économie d'énergie, et éventuellement un appoint au confort en été, si l'on profite de la fraîcheur du sol. Cette technique n'a dans l'absolu qu'un intérêt limité en comparaison du bénéfice que l'on peut tirer d'un échangeur de chaleur. Dans le cadre d'une stratégie globale d'optimisation énergétique, elle peut néanmoins contribuer à améliorer, de manière passive et de façon non négligeable, le confort d'hiver et d'été dans le bâtiment, principalement dans le secteur tertiaire. Elle permet en outre de se passer de dégivrage au niveau du groupe de ventilation, ce qui permet de diminuer l'énergie nécessaire au fonctionnement du système.

Certaines précautions s'imposent néanmoins dans la conception et la mise en œuvre de cette technique afin d'éviter des problèmes tel que la condensation dans les conduites.

Le dossier Appliquer une stratégie de refroidissement passif apporte un éclairage sur cette technique en particulier.

Mise en œuvre d'un puits canadien combiné à un système D [ 040_Aeropolis II] - Figure de gauche : vue en plan, conduites du puits canadien (indiquées en orange) le long du bâtiment

Figure de droite : coupe dans la chambre de visite, 4 conduites placées entre 2 et 5,5 m de profondeur

Source : Cenergie – Architectes Associés

Eviter la destruction d'énergie

La combinaison entre une ventilation hybride et des ouvrants couplés au système de chauffage peut éviter la destruction d'énergie. Dans une telle configuration, le système de chauffage se mettra automatiquement à l'arrêt en cas d'ouverture manuelle des fenêtres. Ceci représente un avantage non négligeable par rapport à un système de ventilation naturelle dans lequel ce couplage n'est généralement pas présent et occasionne souvent un fonctionnement simultané du chauffage et du free-cooling.

Améliorer le confort

Garantir la qualité de l'air par le placement de filtres

Un système D permet une filtration efficace de l'air neuf et augmente dès lors considérablement la qualité de l'air entrant. Le choix des filtres et leur entretien régulier ont une influence importante sur la qualité de l'air frais. Le système C, lorsqu'il est équipé de grilles avec filtres, permet également d'augmenter la qualité de l'air entrant.

Le dossier Assurer le confort respiratoire donne plus de renseignements sur le choix des filtres et l'importance de leur entretien.

Améliorer le confort acoustique

Un système D bien conçu permet un très bon confort acoustique. Les nuisances acoustiques en provenance de l'extérieur notamment sont considérablement atténuées par rapport à un système C dans lequel l'air frais (donc les bruits extérieurs) pénètre directement dans le local à ventiler sans réelle atténuation acoustique. Le système D (pulsion et extraction mécanique) offre l'avantage de ne pas nécessiter de percement de la façade ou d'ouverture des menuiseries. Cependant, il ne faut pas que le bruit extérieur soit remplacé par une source de bruit intérieure. L'installation de ventilation mécanique devra donc être conçue et mise en œuvre selon les règles de l'art. Notamment, on veillera à sélectionner un ventilateur/récupérateur peu bruyant, ne pas installer les ventilateurs à proximité immédiate d'un lieu de séjour, à le fixer au moyen d'éléments anti-vibratiles, à dimensionner largement les conduites et éventuellement à prévoir des silencieux et flexibles acoustiques aux endroits adéquats.

Pour plus d'informations à ce sujet, consulter la norme NBN S 01-400-1, se référer à la fiche Bâtiments exemplaires 2.1 sur le site de Bruxelles Environnement, ainsi qu'au dossier Assurer le confort acoustique des bâtiments.

Le tableau ci-dessous, extrait de la norme, énonce les exigences visant à limiter le bruit des installations techniques qui se trouvent dans le local considéré. Les bouches de pulsion et d'extraction sont considérées comme des sources directes.

Attention, il est important de note que les valeurs spécifiées dans ce tableau sont des valeurs mesurées sur site. La prédiction du niveau L _{Ainstal, nT} est donc relativement compliquée et ne peut pas se baser simplement sur la valeur de puissance obtenue sur la documentation technique du fabricant car le nombre de coudes, la longueur des conduites, la position du système, etc influencent la puissance acoustique à la sortie de la bouche.

Source: Bâtiments exemplaire 2.1

Les valeurs mentionnées dans les catalogues peuvent servir seulement de comparaison entre différents systèmes afin de choisir le moins bruyant mais sans savoir ce que cela donnera réellement sur site.

Pour des raisons acoustiques (et en vue de limiter les pertes de charge), les gaines peuvent être dimensionnées de la manière suivante :

• 1,5 m/s dans les gaines secondaires (max 2 m/s)
• 3 m/s dans les gaines principales (max 4 m/s)
• Perte de charge de 1Pa/m pour les gaines communes verticales

Améliorer le confort thermique

La ventilation hybride permet la mise en place de débits de ventilation plus importants en journée (free-cooling) et durant la nuit (nightcooling) à travers le bâtiment. En cas d'accès à la masse thermique du bâtiment, ces hauts débits permettent en outre de refroidir le bâtiment et de rendre ainsi le recours à d'autres techniques de refroidissement superflu.

Améliorer le confort hydrique

En plaçant un récupérateur à roue hygroscopique dans un système double flux, on récupère non seulement la chaleur sur l'air extrait mais aussi l'humidité. Ainsi, les coûts liés à un humidificateur « classique » peuvent être évités.

Améliorer le confort psychologique

Dans un système de ventilation hybride, qui peut impliquer une ouverture manuelle des fenêtres par les occupants, on augmente le confort psychologique des utilisateurs : ils ont un moyen d'action sur leur environnement direct et le climat intérieur du local qu'ils occupent. Les éléments de réglage font en sorte que les débits minimaux hygiéniques restent garantis.

Il est important de souligner ici que l'ouverture manuelle des ouvrants est un élément clé du confort psychologique des occupants, même lorsqu'il ne fait pas à proprement parlé partie de la stratégie de ventilation. Ainsi lorsqu'un système double flux est mis en œuvre, dans un bâtiment passif par exemple, la possibilité d'ouverture manuelle des fenêtres devrait, autant que possible, être maintenue. Ceci augmente de manière non négligeable la sensation de confort dans le bâtiment.

Choix entre un système centralisé, décentralisé et semi-centralisé

Dans le cadre d'une ventilation mécanique double flux, plusieurs configurations de réseaux sont possibles.

Ces différentes configurations seront principalement étudiées dans le cadre d'immeubles de logements collectifs pour lesquels les questions d'encombrement, d'entretien et de répartition de consommations énergétiques prennent une dimension différente et plus importante que pour le logement individuel ou les bâtiments tertiaires.

Source rapport technique Bâtiments exemplaires Fiche 2.1- La ventilation double flux dans les logements individuels et collectifs – Septembre 2010