Les débits de ventilation peuvent être créés par les mouvements d'air de plusieurs façons : l'effet du vent (la vitesse du vent), l'effet cheminée (la différence de température entre le bas et le haut d'une colonne d'air) et la combinaison de ces deux phénomènes.
Par effet du vent
Régime des vents en Belgique
Dans nos régions, le courant principal provient du sud-ouest et le courant secondaire le plus important provient du nord-est. C'est dès lors face à ces deux directions que les ouvertures seront placées de préférence pour l'application du free-cooling (fenêtres ou grilles).
Concrètement : si le bâtiment est exposé au vent, on peut donc essayer de placer les ouvertures du bâtiment sur les façades opposées, idéalement au sud-ouest et au nord-est, ce qui permet de prévoir un passage d'air « libre » entre les locaux. Étant donné que les vitesses du vent pendant la période chaude ne peuvent pas être estimées, au contraire des températures, la ventilation transversale offre moins de certitude quant à l'existence d'un débit de ventilation suffisant.
Le phénomène de création d'un débit de ventilation est expliqué en détails dans Effet du vent.
Régime des vents en Belgique
Et à Bruxelles ?
La vitesse du vent dans les villes est aujourd'hui très mal connue et elle dépend fortement de l'environnement proche du bâtiment. Il est fort possible qu'un bâtiment situé dans le centre de Bruxelles ne reçoive pas de vents dominants sud-ouest à cause de l'ensemble des obstacles crées par la ville. Une étude par simulation aéraulique du contexte urbain sera souvent nécessaire pour avoir une meilleure idée des vents à l'échelle du bâtiment. Plusieurs méthodes simples et détaillées existent dans la littérature pour déterminer l'effet de la localisation du bâtiment sur la vitesse du vent. Cependant, pour les sites urbains ces méthodes sont toujours approximatives. L'on préfèrera utiliser les résultats des calculs de détermination des vitesses moyennes annuelles de vent menés dans le cadre d'une évaluation du potentiel éolien urbain dans la région de Bruxelles-Capitale. Ces résultats indiquent la vitesse du vent à une hauteur de 10m pour plusieurs points de mesures sur diverses zones géographique de Bruxelles.
Vitesse du vent calculée à une hauteur de 10 m en Région de Bruxelles-Capitale en 2012
En première approximation, il est toujours préférable d'être conservateur et d'utiliser les vitesses de vent les plus faibles. Des mesures sur sites ou des simulations aérauliques seront nécessaires dans un second temps .
Effet du vent
En première hypothèse, l'on pourra considérer une vitesse de vent moyenne annuelle de 1,6 m/s tout en restant vigilant à l'impact des bâtiments voisins sur la vitesse du vent. Pour aller plus en détail dans la conception, une étude aéraulique devra être réalisée pour des bâtiments situés dans un milieu urbain.
Le débit d'air induit par le vent est régi par la formule suivante :
Q v = K . A . V
avec :
- Qv : débit d'air induit par le vent (m³/s)
- A : surface libre d'ouverture (m²)
- V : vitesse du vent (m/s)
- K : Coefficient d'efficacité (-)
Le coefficient d'efficacité dépend de l'angle d'attaque du vent et de la taille des ouvertures d'entrée et de sorties. Ce coefficient varie entre 0,4 pour un vent ayant une incidence de 45° à 0,8 pour un vent perpendiculaire à la façade.
L'on comprendra aussi aisément que le vent est moins obstrué en hauteur ce qui augmente le débit d'air induit par le vent sur les étages supérieurs.
Effet de la pression du vent sur la ventilation naturelle
La formule suivante permet d'adapter la vitesse du vent en fonction de la hauteur. Elle est valable pour une hauteur de 0 à 100m et elle ne prend pas en compte les obstacles au sol. Sans étude aéraulique ou mesure sur site, il est difficile d'estimer la justesse de la vitesse du vent aux faibles hauteurs situés dans un environnement urbain.
avec :
- v(h) : vitesse du vent à la hauteur souhaitée
- v 10 : vitesse à la hauteur de 10 m
- h 10 : hauteur de 10 m
- h : hauteur souhaitée
La figure ci-dessous illustre l'effet exponentiel de la vitesse du vent sur la hauteur en fonction de l'environnement. La différence de vitesse de vent est très faible à partir de 100m.
Impact de la vitesse du vent en fonction des obstacles (de la gauche vers la droite : zone rurale, zone semi-urbaine, zone urbaine) et de la hauteur
Par effet cheminée
L'effet cheminée désigne le mouvement ascensionnel de l'air intérieur dans un bâtiment ou un conduit, dû au fait que cet air est plus chaud, et donc plus léger, que l'air extérieur. Ce mouvement induit une amenée d'air frais dans le bas du bâtiment ou du conduit et une sortie de l'air chaud par le haut, vers l'extérieur. Ce déplacement d'air est plus important lorsque la différence entre la température intérieure et la température extérieure augmente (il fonctionne donc principalement en hiver et/ou la nuit) et lorsque la différence de hauteur entre les ouvertures d'amenée et d'évacuation de l'air est supérieure (cf. dimensionnement). Un effet cheminée peut exister à l'échelle d'une seule fenêtre, d'une façade ou d'un bâtiment tout entier. Dans le cas d'une cheminée, la force motrice du vent s'ajoute à celle de la différence de température (courant d'air vers l'extérieur du bâtiment). Voir aussi le dossier Concevoir un système de ventilation énergétiquement efficace.
Effet de la différence de température sur la ventilation naturelle
L'effet cheminée est régi par la formule suivante :
avec :
- Q stack : débit d'air en (m³/s)
- Cd : coefficient de décharge de l'amenée d'air ou de l'extraction d'air (varie entre 0,1 et 0,6 en fonction des produits) (-)
- A : surface libre d'ouverture (m²), égale à la surface d'extraction
- g : 9.8 (m/s²), la pesanteur
- h : distance verticale (prise au centre) entre la prise d'air et l'extraction d'air (m)
- Ti : la température à la base de la colonne d'air (K)
- To : la température en haut de la colonne d'air (K)
Par la combinaison des deux phénomènes : effet du vent et effet cheminée
Dans la conception, l'on recherchera toujours à coupler ces deux phénomènes afin qu'ils se renforcent mutuellement. En effet, il serait fort décevant qu'il n'y ait pas de vent lorsque l'on veut refroidir son bâtiment !
Ainsi, on recherchera à placer les ouvertures dans la façade où se trouvent les vents dominants (sud-ouest et nord-est). En outre, le vent aspirera généralement (par un effet d'aspiration) de l'air supplémentaire à travers le conduit vertical. Si les ouvertures dans la façade ne se trouvent pas dans la direction du vent, le vent aura tendance à aspirer plutôt l'air du bâtiment à partir des fenêtres et à faire obstacle à l'effet cheminée.
Plusieurs exemples de mise en œuvre de free-cooling naturel sont repris dans le chapitre S'inspirer.
