Plusieurs éléments intégrés au bâtiment permettent d'exploiter les forces motrices naturelles du vent et soutenir le flux d'air à travers le bâtiment. Le tableau ci-dessous illustre chacun de ces éléments ainsi que leur application au phénomène naturel. Ceux-ci sont ensuite développés dans les paragraphes suivants. Plusieurs exemples d'intégration sont illustrés dans le chapitre S'inspirer.
| Caractéristique de l'éléments | Description | Principe de ventilation | Pulsion ou extraction |
|---|---|---|---|
| Capteur (et extracteur) de vent | Les capteurs de vents permettent « d'attraper » le vent en toiture. Certains capteurs de vents dispose d'un double conduit qui assure aussi l'extraction d'air. | Ventilation traversante et verticale | Pulsion d'air (et extraction) d'air |
| Cheminée (solaire) | Disposée en toiture, elles utilisent l'effet du vent ainsi que l'effet des températures. Les cheminées peuvent aussi utiliser le rayonnement solaire pour augmenter le tirage thermique. | Ventilation traversante et verticale | Extraction d'air |
| Double façade ou double peau | Assurant plusieurs fonctions telles que la protection solaire, l'éclairage naturel, la protection acoustique, l'amenée d'air préchauffée, l'isolation thermique, la double peau est souvent utilisée dans les bâtiments avec ventilation naturelle. Les principes de la double peau sont illustrés par le bâtiment le Berlaymont en suivant ce lien (Energie+). | Ventilation traversante, verticale et unilatérale | Pulsion et extraction d'air |
| Atrium | L'atrium assure aussi de nombreuses qualités : ouverture des fenêtres dans un espace protégé, éclairage naturel, ... | Ventilation traversante, verticale et unilatérale | Généralement extraction d'air |
| Conduits spécifiques | Des conduits horizontaux sont installés dans le bâtiment pour guider l'air dans les zones souhaitées à rafraîchir et extraire l'air par des conduits verticaux. | Ventilation verticale et unilatérale | Pulsion, transfert d'air et extraction d'air |
| Ouverture de ventilation (fenêtre, grille, louvre) en façade | De différentes formes, les ouvertures de ventilation sont indispensables à un free-cooling naturel et hybride. | Ventilation traversante, verticale et unilatérale | Pulsion et extraction d'air |
| Grilles de transfert d'air | Les grilles de transfert d'air permettent le passage de l'air entre deux zones ventilées. | Ventilation traversante et verticale | Transfert d'air |
A la conception, l'implantation les amenées d'air, de transfert d'air et d'extraction d'air permettra un accès facilité pour leur entretien .
Capteur (et extracteur) de vent
Les capteurs de vent garantissent une prise d'air neuf en toiture, là où la vitesse du vent est la plus élevée. Cependant, lorsque le vent est de faible vitesse, on portera l'attention à ce que l'effet naturel de tirage thermique ne crée par un mouvement d'air inverse. Les capteurs de vents sont souvent positionnés en toiture mais ils peuvent aussi être placée dans une zone libre d'obstacle et le vent sera alors acheminé par des conduits spécifiques (ou un puits canadien) jusqu'au bâtiment.
Le capteur de vent peut être monodirectionnel ou multidirectionnel en fonction de l'orientation du vent. Les capteurs de vent sont une bonne alternative lorsque les façades ne permettent pas la prise d'air (peu de vent, contrainte urbanisme, pollution de l'air et sonore, ...). Par contre, l'inconvénient majeur est que les débits dépendent directement du vent.
Des alternatives existent où le compartiment faisant face au vent fait office d'entrée d'air (capteur), tandis que le compartiment opposé fait office de sortie d'air (extracteur). Dans ce cas-ci, le capteur de vent assure la pulsion et l'extraction. Il existe aussi des variantes avec puits de lumière.
Noter qu'il faudra prévoir des protections contre la pluie.
Capteur de vent multidirectionnel avec échangeur de chaleur naturel
Des systèmes ont été développés afin de permettre une récupération de chaleur naturelle.
Fiche technique du ZEDfabric Wind Cowl
The ZEDfabric Wind Cowl passive heat recovery ventilation system supplies and extracts air to and from a building to maintain good air quality whilst minimising heat loss. The heat recovery system used is 70% efficient.
At an average windspeed of 4m/s in London, depending on the external temperature, the flowrate of the Wind Cowl is between 50-70 litres per second.
Cheminée (solaire)
Les cheminées permettent l'extraction de l'air en utilisant la vitesse du vent pour augmenter la dépression dans le conduit d'air (ou zone d'extraction). Elles peuvent être rondes, carrées ou triangulaires. Elles sont souvent intégrées directement au bâtiment mais elles peuvent aussi faire partie d'une structure séparée relié par des conduits d'air. Elles sont ouvertes à toutes les directions du vent via des ouvertures sur plusieurs côtés.
Les cheminées solaires utilisent le soleil pour augmenter la différence de température et ainsi augmenter le flux d'extraction.
Cheminée du bâtiment IONICA à gauche, cheminée du bâtiment BRE à droite
L'efficacité d'une cheminée dépend de son volume, de la différence de température entre l'air entrant et sortant ainsi que de la distance entre la prise d'air et l'extraction. Pour améliorer leur performance, il est intéressant de compléter le tirage thermique avec des dispositifs passifs : cheminée solaire (cheminée avec un capteur vitré qui réchauffe l'air pour augmenter le tirage à l'extraction), effet Venturi, etc.
Pour assurer un bon fonctionnement de la cheminée on prendra en compte les éléments suivants :
- Augmentation de l'effet cheminée, par l'usage de cheminée solaire, en augmentant la différence de température entre l'air à la base de la cheminée et l'air à la sortie de la cheminée : utiliser des cheminées vitrées au sud, utiliser des cheminées avec des capots capteurs de rayonnement solaires, etc.
- Surélever la cheminée d'au-moins la moitié de la hauteur du dernier étage pour éviter qu'il ne faille faire des ouvertures trop grandes pour obtenir un débit suffisant.
- La cheminée sera placée dans une zone de dépression afin d'utiliser aussi l'effet du vent.
- Si nécessaire, développer une structure qui augmente l'effet Venturi au sommet de la cheminée (tirage plus important).
Structure qui augmente le tirage par effet venturi
Atrium
Les atriums peuvent être utilisés comme zone d'extraction de l'air chaud en utilisant l'effet cheminée. La stratification de l'air sur la hauteur de l'atrium doit être très importante, afin que le tirage thermique soit maximal. Cependant, ceci peut créer de l'inconfort pour les derniers étages.
Afin de garantir un free-cooling naturel par l'atrium, il est préconisé :
- De hausser l'atrium au-dessus du dernier étage d'une hauteur équivalente à deux étages afin que l'air chaud se retrouve au-dessus du dernier étage. Cette règle est une première approximation et une conception étudiée par simulation aéraulique permettra d'optimiser l'effet cheminée.
- De placer 5 à 10 % d'ouverture d'extraction par rapport à la surface de toiture de l'atrium ; ce qui devrait plus ou moins correspondre aux ouvertures d'amenée d'air.
- De concevoir la sortie d'air de manière à ce que la pression induite par le vent favorise la ventilation pour toute direction de vent ou d'installer plusieurs sorties d'air contrôlées en fonction de la vitesse du vent pour s'assurer qu'il y en a toujours une sous le vent.
- De placer au-dessus du dernier étage des éléments de structures qui absorbent le rayonnement solaire pour augmenter l'effet cheminée.
Conduits spécifiques
Les conduits spécifiques sont utilisés pour guider l'amenée d'air ou l'extraction d'air vers une zone bien précise. L'on aura tendance à éviter ces conduits qui augmentent les pertes de charges et rendent ainsi plus difficiles les conditions nécessaires à un free-cooling efficace.
Ouverture de ventilation (fenêtre, grille, louvre) en façade
Description de différentes ouvertures d'amenées d'air
Fenêtre à pivot horizontal |
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Fenêtre à pivot vertical |
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Fenêtre basculante vers le haut/bas |
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Fenêtre à la française |
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Fenêtre oscillo-battant |
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Louvre et grilles |
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L'emplacement des amenées d'air respectera les exigences PEB (cf. Annexe VI de l'arrêté PEB pour les bâtiments résidentiels – Annexe VII de l'arrête PEB pour les bâtiments non résidentiels) à savoir :
- empêcher la pénétration d'animaux indésirables
- empêcher la pénétration de pluie
- être placée à une hauteur de 1,80m au-dessus du niveau du sol. (Il peut être dérogé à cette condition)
- si elle est naturelle, l'amenée d'air doit pouvoir être réglée manuellement ou automatiquement entre les positions « complètement ouverte », « 3 positions intermédiaires » et « fermée (≤ 15% débit sous 50 Pa ) ».
En règle générale, un pourcentage d'ouvertur e de 2 à 4 % de la surface au sol des locaux est utilisé.
Attention : il s'agit d'ouvertures nettes de passage d'air (il faut donc tenir compte de la surface d'ouverture réelle d'une grille éventuelle ou d'un plan visuel libre qui peut varier de 40 à 70 % par rapport à l'ouverture sans grille).
