Quelles sont les limites fonctionnelles de la ventilation naturelle ?

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Le système de ventilation d’un bâtiment industriel doit être capable de fournir de l'air neuf et d’évacuer les charges thermiques et/ou polluantes. En principe, les flux d’air peuvent être transférés de deux manières : soit mécaniquement par la ventilation et des unités de traitement d’air ou sans appareils avec la ventilation naturelle basée sur les écarts de pression. Ces écarts de pression sont générés à l’intérieur d’un hall industriel par la chaleur produite au cours des processus de production (pression négative) et à l’extérieur par la pression du vent. Voyons dans quels cas de figure la ventilation naturelle ne pourra pas être l’unique solution.

Les flux d’air entrant pénètrent par des ouvertures situées sur la partie inférieure des murs du hall puis ressortent par des ouvertures d’air au niveau du toit - typiquement un extracteur de fumée et de chaleur, une fois que les charges thermiques ont été absorbées (voir Figure 1).

Ventilation naturelle par la sous-pression thermique

Figure 1: Ventilation naturelle par la sous-pression thermique et la force du vent dans un hall avec sources de chaleur

Dans des pièces de type bureaux, la ventilation naturelle se fait par l’ouverture des fenêtres. Ces pièces ayant des hauteurs sous plafond inférieures à celles des halls, la même ouverture (fenêtre) sert à la fois pour les flux d’air entrant et d’air vicié. La figure 2 montre les flux typiques qui se forment en tels cas. Cette solution peut aussi être parfois utilisée dans des halls à plafond bas. 

Schéma des flux ventilation par aération

Figure 2: Ventilation par aération fenêtre, schéma des flux caractéristiques d’air entrant et d’air vicié

Là où des unités de traitement d’air et de ventilation ne sont pas utilisées, la ventilation naturelle est privilégiée en raison des faibles coûts d’investissement, des coûts d’exploitation quasi nuls et du fait que l'on peut économiser l'énergie nécessaire au fonctionnement des systèmes de traitement d’air et de ventilation. Ce sont des avantages majeurs qui soulèvent la question de savoir jusqu'où la ventilation naturelle peut remplacer la ventilation mécanique

Ventilation mécanique et charges thermiques

La ventilation naturelle est basée sur l’écart entre la température à l’intérieur du hall et celle de l’air frais. Plus l’écart est grand, plus les courants thermiques générés par les sources de chaleur à l'intérieur du hall sont forts et stables (en grande partie). Ce phénomène est donc une méthode fiable permettant d’évacuer les charges, mais uniquement pour les halls dégageant d’importantes émissions de chaleur (distributions de charge supérieures à 800 W/m²).

Pour ce qui est des halls émettant moins de chaleur, comme la plupart des halls de production abritant les opérations d'usinage avec des distributions de charge d’environ 150 W/m², les températures obtenues à l’intérieur du hall sont comparables à celles de l’air frais en été ou, surtout, en cas de conditions météorologiques extrêmes. Aussi, l’écart de température entre l’intérieur et l’extérieur peut-il devenir si faible qu’il n’existe plus aucun facteur notable pour alimenter la ventilation naturelle, alors que c’est précisément ce qu'il faut le plus. C’est pourquoi, malgré les opérations à haute température, la ventilation naturelle ne peut plus remplir sa fonction dès lors que la température de l’air frais est plus élevée. C’est donc là que la ventilation mécanique devient indispensable.

Le tableau 1 fournit un aperçu des émissions de chaleur typiques selon la surface et le type de production. Pour toutes les applications inférieures à 800 W/m², la ventilation naturelle n’est possible que dans une moindre mesure. 

Type de production

Charge thermique, W/m²

Type de ventilation recommandé

Installation

50

Ventilation mécanique

Production mécanique

150

Ventilation mécanique

Production de pièces plastiques

250

Ventilation mécanique

Opérations à haute température *)

> 800

Ventilation  mécanique et/ou  naturelle

*) Industrie du verre, aciéries et laminoirs, chaufferies

 

Tableau 1 : Émissions de chaleur estimatives selon la surface et le type de production

Des températures extérieures basses provoquent toujours un écart de température important par rapport à l’intérieur du hall, ce qui, en principe, permet la ventilation naturelle dans cette plage de températures. L'utilisation de cette option est néanmoins limitée. En pénétrant dans le hall, l’air entrant initialement à température extérieure se mélange à l’air du hall avec des températures croissantes. La température résultant de ce processus doit ensuite satisfaire aux paramètres de confort ou tout au moins aux seuils de tolérabilité dans l’espace de travail. Ceci n’est pas faisable avec n'importe quelle basse température, mais seulement si elle se trouve dans la plage de température à partir de laquelle il devient nécessaire de chauffer.

Malgré les opérations à haute température, on observe que sur l’ensemble de l’année, la ventilation naturelle peut être utilisée uniquement si la température extérieure chute dans une plage limitée. Même si cela dépend des charges thermiques du hall, on estime que cette température doit être comprise entre 5 et 25°C. En présence de températures inférieures ou supérieures, il faudrait effectuer des mesures supplémentaires pour le traitement de l’air. Le vent est généralement bénéfique pour la ventilation naturelle, à condition de pouvoir limiter ses effets, particulièrement en cas de vent fort. Les perturbations provoquées par le vent peuvent être compensées en utilisant des ouvertures adaptatives pour l’air entrant et l’air vicié. En revanche, la maitrise des débits avec la ventilation mécanique diminue la perte de chaleur par renouvellement d’air : les consommations de chauffage sont donc moins élevées.

Ventilation mécanique et élimination des polluants

La ventilation naturelle sert généralement à évacuer les charges thermiques. Ce système de ventilation a en revanche une capacité limitée pour l'élimination des charges polluantes. Respecter avec fiabilité les concentrations maximales admissibles (CMA) est en principe impossible en raison des fluctuations liées aux conditions météorologiques. Cela signifie que les polluants qui doivent être évacués par la ventilation naturelle ne doivent pas atteindre la valeur maximale admissible ni présenter un risque pour la santé, et doivent être présents à des concentrations très basses non nocives. Dans ce cas de figure aussi, la ventilation mécanique semble proposer une réponse plus efficace que la ventilation naturelle. En effet, la VM  reste, par excellence, le meilleur moyen d’améliorer la qualité de l’air dans les bâtiments : la première étape consiste à extraire l’air vicié vers l’extérieur (système simple flux) puis la deuxième à pulser l’air neuf dans les locaux (système double flux).

Ventilation mécanique et gestion des pertes de charges des filtres d’air

Il doit être noté que les systèmes de ventilation naturelle ne sont pas capables de gérer les principales chutes de pression des filtres d’air entrant en raison de la faible différence de pression du tirage thermique. Par conséquent, l’air frais pénètre généralement dans le hall sans avoir été filtré. C’est pourquoi les opérateurs doivent toujours vérifier si cela est suffisant pour les processus de production en question. Les enjeux de santé environnementale étant une préoccupation essentielle, il est désormais indispensable de filtrer l’air neuf, prévu dans tout système de ventilation mécanique, avec différentes efficacités de filtres en fonction des types de polluants, particules fines…Les ventilateurs sont définis en fonction des pertes de charge additionnelles des filtres à combattre.

Conception de la ventilation naturelle

Les méthodes de conception de la ventilation naturelle sont totalement différentes de celles employées pour la ventilation mécanique. Les différences de pression, qui sont influencées à l’intérieur par les charges thermiques et à l’extérieur par les pressions du vent, sont des facteurs clés. Les deux variables ont des méthodes de calcul qui peuvent être combinées en les surexposant aux équilibres de pression correspondants. L’approche de base consiste à égaliser le total des chutes de pression dynamique des ouvertures pour l’air entrant et l’air vicié avec la différence de pression du tirage thermique. Dans le cas des halls de production, il est conseillé d’inclure dans le calcul le degré de pollution de la pièce. Cela permet de prendre en considération uniquement la part réelle de la charge thermique totale de la pièce. On obtient ainsi un niveau inférieur de flux d’air entrant requis. 

Conception de la ventilation mécanique

En pratique, le calcul de la ventilation mécanique dans les halls est réduit à la ventilation mixte et à la ventilation par déplacement. Les méthodes de calcul de charge peuvent être utilisées pour déterminer les flux d’air entrant nécessaires selon les charges thermiques et/ou polluantes à évacuer. Si en principe les calculs de charge sont des représentations neutres en termes d’écoulement d’air, en pratique, ils fournissent des résultats pouvant être utilisés uniquement pour la ventilation mixte. Ceci parce que les flux d’air entrant déterminés par le calcul de la charge ne sont pas forcément ceux requis pour suivre les courants thermiques d’un système de ventilation par déplacement.

Dans la ventilation mixte, on peut distinguer le système par stratification d’air qui correspond à un concept de ventilation efficace et très performant pour l’évacuation des polluants d’un hall de fab­rication à fortes charges internes, en s’appuyant sur les courants thermiques. L’idée principale de ce concept de ventilation réside dans l’existence de 2 couches aérauliques de qualité bien différentes qui se forment dans un bâtiment industriel :

  • Une couche inférieure qui englobe la zone de travail, de hauteur idéale d’environ 2,5 m, qui reçoit l’air pulsé et qui est de ce fait très bien ventilée.
  • Les dégagements de chaleur et de polluants dus aux machines de fabrication remontent verticalement en formant sous la toiture une seconde couche aéraulique, celle-ci beaucoup plus fortement polluée.

La formation d’une zone inférieure stable – appelée zone de pulsion – est atteinte en insufflant dans la zone de travail une quantité d’air frais équivalente à celle dégagée par l’effet thermique. Afin d’éviter un phénomène de recirculation de l’air pollué, il est nécessaire d’évacuer une certaine quantité d’air, et si possible de l’air pollué. En mesurant l’air extrait on peut alors régler de façon optimale la hauteur de la zone d’air frais nécessaire.

Ventilation naturelle et limites fonctionnelles

Il peut être observé que la ventilation naturelle est uniquement possible sans restriction pour les opérations à haute température à condition qu’il n’y ait pas de polluants. Ce sont les seules conditions dans lesquelles les courants thermiques sont capables de se former de façon à être assez stables pour être insensibles aux fluctuations météorologiques. La fonction de ventilation est ainsi garantie toute l’année. Pour toutes les autres applications avec des émissions de chaleur plus faibles, tout au long de l’année, la température de l’air frais est définie par les limites supérieure et inférieure des paramètres de confort et de tolérabilité.

Seule la ventilation mécanique permet de respecter les exigences, les températures intérieures spécifiées et, plus encore, les concentrations de polluants. Les systèmes hybrides sont également des solutions envisageables. Dans ces systèmes, la ventilation dans le domaine d’application est réalisée selon une méthode économe en énergie utilisant la ventilation naturelle et la ventilation mécanique se déclenche seulement si la ventilation naturelle atteint sa limite fonctionnelle. Une évaluation du TCO (coût total de possession) permet de savoir si les économies d’énergie réalisables compensent l'investissement supplémentaire. Dans le cas d’un système de ventilation mécanique, les économies d’énergie sont également favorisées grâce à la récupération de chaleur qui s’effectue via un échangeur à plaques, présent par exemple dans l’appareil Hoval RoofVent.

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Auteur
Tobias Brugger
 
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