Introduction

Article CIFQ2003
VIe Colloque Interuniversitaire Franco-Québécois
Thermique des systèmes
26-28 mai 2003, Québec
CIFQ2003 / XX-XX
ETUDE NUMERIQUE DE LA VENTILATION TRAVERSANTE ET DE SES
CONSÉQUENCES SUR UN BÂTIMENT COLLECTIF D’HABITATION
Olivier Krikorian
Laboratoire Optimisation de la
Conception et Ingénierie de
l’Environnement
équipe génie civil et habitat
ESIGEC - Université de Savoie
Campus scientifique
Savoie TechnolacF 73376 le Bourget du Lac cedex
Bernard Souyri
Laboratoire Optimisation de la
Conception et Ingénierie de
l’Environnement
équipe génie civil et habitat
ESIGEC - Université de Savoie
Campus scientifique
Savoie TechnolacF 73376 le Bourget du Lac cedex
[email protected]
Gilbert Achard
Laboratoire Optimisation de la
Conception et Ingénierie de
l’Environnement
équipe génie civil et habitat
ESIGEC - Université de Savoie
Campus scientifique
Savoie TechnolacF 73376 le Bourget du Lac cedex
[email protected]
ASTATO SA
8 rue Isaac Newton
F93155 Le Blanc Mesnil
[email protected]
RÉSUMÉ
Après un rappel du contexte, nous décrivons de façon générale le phénomène de traversant et ses impacts sur les
consommations de chauffage ainsi que sur les ambiances intérieures des bâtiments.
Ensuite, nous étudions de façon numérique sur un cas donné l’apparition du traversant. Après une description du
modèle employé et du cas traité, des résultats concernant les débits au travers des entrées d’air et dans plusieurs
configurations de vitesses de vent et de modules d’entrées d’air sont exposés. Quelques enseignements sur les
paramètres favorisant l’apparition du traversant et les façons de le combattre en sont tirées.
Mots-clés: Ventilation ; Traversant ; Consommations de chauffage ; Ambiances intérieures ; Simulation numérique
NOMENCLATURE
Symboles utilisés
P : pression (Pa)
D : débit massique (kg.s-1)
Q : débit volumique (m3.h-1)
H : capacité calorifique de l’air (J.kg-1.K-1)
T : température (K)
V : vitesse du vent (m.s-1)
C : coefficient correcteur adimensionnel
k, a : coefficients adimensionnels
h : hauteur par rapport au sol (m)
M1, M2 : module des entrées d’air respectivement au
vent et sous le vent (m3.h-1 sous 20 Pa)
Indices/Exposants
° : relatif à la vitesse du vent
mesurée à une hauteur de 10 m
r : relatif (avec comme référence la
pression atmosphérique)
p : relatif à la pression
d : relatif à la pression dynamique
du vent
v : relatif à la vitesse du vent
1
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INTRODUCTION
Le système de ventilation par balayage est reconnu
comme ayant une efficacité énergétique meilleure
que celle d’une ventilation par pièces. L’air est
admis dans les pièces sèches ou pièces de vie
(chambres, séjours…) et transite jusque dans les
pièces humides ou de service (cuisines, sanitaires,
buanderies…) où il est extrait.
hauteur sont concernés au premier chef par le
problème de traversant.
La pression relative sur une paroi s’écrit en effet.
Pr  C p Pd
(1)
Sur la façade sous le vent Cp est négatif, sur la
façade au vent il est positif. Le local est lui-même
mis en dépression par l’extracteur ; il y a traversant
dès que la dépression sur la paroi est supérieure à
celle du local.
LES CONSEQUENCES DU TRAVERSANT
Figure 1 : ventilation par balayage
On dit qu’il y a ventilation traversante, ou
simplement traversant, lorsque de l’air circule en
sens inverse (sortant) par les orifices d’entrée d’air.
Le traversant est un phénomène que l’on souhaite
éviter pour plusieurs raisons, notamment :
 il provoque des consommations
énergétiques
de
chauffage
supplémentaires
 il peut provoquer une sous-ventilation
des pièces dont le sens du flux de
ventilation est inversé
Grâce à des simulations numériques de débits de
ventilation, nous étudierons les conditions générant
un traversant, l’influence des entrées d’air sur
l’apparition et l’amplitude de ce traversant, et les
désordres occasionnés. Nous tenterons également
d’ébaucher des solutions pour lutter contre ce
phénomène.
LE PHENOMENE DE TRAVERSANT ET SES
CONSEQUENCES
DESCRIPTION DU PHENOMENE
Il y a traversant lorsque la façade sous le vent du
bâtiment considéré est mise en dépression de façon
suffisamment importante pour inverser le sens du
flux de ventilation. La vitesse du vent est donc un
facteur déterminant de la mise en traversant d’un
local ; c’est pourquoi les bâtiments de grande
Elles sont de plusieurs natures :
*Surconsommation de chauffage
La puissance de chauffage nécessaire pour
compenser les déperditions énergétiques dues à la
ventilation est donnée par la formule :
P=DHT
(2)
Elle est donc proportionnelle au débit de ventilation
transitant dans le logement, tous paramètres égaux
par ailleurs.
Lorsqu’on sait que compte tenu des progrès réalisés
sur l’isolation des bâtiments modernes, la
ventilation est responsable de consommations
énergétiques de l’ordre de 30% des besoins totaux
en chauffage, on se rend compte de l’impact
énergétique que peut avoir le phénomène sur une
année ;
* Sur-ventilation de la façade exposée au
vent, d’où un risque d’inconfort thermique ;
* Sous-ventilation de la façade sous le vent
(en dépression) pouvant provoquer des problèmes
de qualité d’air.
On a donc une incidence défavorable sur plusieurs
des critères d’ambiance intérieure décrits par
Collard [1].
LE MODELE UTILISE
Plusieurs niveaux de simulation sont possibles pour
la ventilation d’un bâtiment, (cf. Wurtz [2]). Dans
le modèle employé ici, on s’en tient à une
simulation de débits au niveau d’orifices séparant
les locaux, de façon analogue à la procédure de
codes de calcul comme COMIS [3] ou le code
« GAINE » du CSTB [4]. Le code SimVent, dont
l’algorithme est décrit figure 2 permet, à partir de la
définition géométrique du bâtiment, de la définition
de son système de ventilation, et de la définition de
grandeurs
météorologiques,
de
déterminer
l’ensemble des débits entrants et sortants des
différents locaux. SimVent est basé sur une
discrétisation en nœuds de pression, la pression
intérieure de chaque local étant utilisée comme
variable de calcul, le critère de convergence étant
2
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l’équilibre des débits massiques dans chaque local
(régime permanent).
nécessaire : le fonctionnement se fait dans les
simulations suivantes uniquement par tirage naturel.
La vitesse du vent est corrigée en fonction de la
hauteur par la formule de l’AIVC [5] :
Les entrées d’air sont fixes, avec une courbe
débit/pression du type :
V  V   Cv
(3)
Q  k P
C v  k  (h )
(4)
a
En environnement urbain, les valeurs
paramètres a et k sont a=0,25 et k=0,56
des
(5)
Les bouches d’extraction sont des bouches
autoréglables à partir de 10 Pascals supposées
idéales (caractéristique en loi racine jusqu’à 10 Pa,
débit constant au-delà).
On s’intéressera particulièrement à l’influence des
caractéristiques des entrées d’air sur l’apparition du
traversant.
Saisie des données
Calcul
Calcul
desdes
pressions
pressions
sursur
lesles
différentes
différentes
façades
façades
RESULTATS ET ANALYSES
Calcul du tirage thermique
Caractéristiques
générales :
les
bouches
d’extraction ont des modules respectifs de 90 et 30
(débit en m3/h sous une différence de pression de
10 Pa)
Sur l’ensemble des graphes suivants, la vitesse du
vent est celle mesurée à une hauteur de 10 m
Dans le premier exemple on prend des modules
d’entrée d’air M1=90 et M2=90
Hypothèse sur la
pression intérieure
des différents appartements
Calcul des pertes de charge
avec les débits de
l ’itération k-1
non
Calcul desDP sur les différents
orifices (BE, EA, fuites)
Vérification du bilan
des débits massiques
Pour l ’étage
0àn
250
non
Pi=Pi+-DP
200
débit (m3/heure)
oui
Solution convergée?
oui
Affichage des résultats
Figure 2 : Algorithme de fonctionnement de
SimVent
5ème étage au vent
150
100
5ème étage sous le
vent
50
RC au vent
0
-50
0
5
10
15
20
RC sous le vent
-100
-150
vitesse du vent (m/sec)
LES SIMULATIONS :
PARAMETRES
CONDITIONS
ET
On se place dans le cas d’un immeuble de 6
niveaux (R+5) constitué d’une pile d’appartements
identiques desservis par deux conduits collectifs de
ventilation , en double exposition (une façade au
vent, une sous le vent).
La ventilation se fait par un système hybride dit
« naturel assisté » : elle est basée sur la dépression
créée naturellement en tête de conduit par le tirage
thermique et la dépression due au vent, avec une
assistance mécanique fournissant un complément
de dépression en cas d’insuffisance de ces forces
naturelles.
Le traversant ayant lieu sous l’effet d’un vent
important, l’assistance mécanique n’est alors pas
Figure 3 : Débits en fonction du vent
Le logement situé au 5ème étage est en traversant
pour des occurrences de vent assez fréquentes (à
partir de 7 m/s de vent mesuré environ, soit un vent
corrigé de 8 m/s). L’apparition du traversant au rezde-chaussée est moins fréquente, ce qui était
prévisible au vu de la formule de correction du
vent, mais elle n’est pas exceptionnelle (à partir de
13 m/s de vent mesuré environ, soit un vent corrigé
de 9 m/s). Il faut de plus garder à l’esprit que la
sous-ventilation des pièces donnant sur la façade
sous le vent intervient avant la mise en traversant
proprement dit. Dans le cas du cinquième étage par
exemple, elle a lieu à partir d’un vent de 5 m/s
environ.
3
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50
30
Débit au travers de
l'entrée d'air sous le
vent
20
10
0
-10
0
2
4
6
-20
Etage
Figure 4 : débit en fonction de l’étage
On constate un problème de sous-ventilation des
pièces donnant sur la façade sous le vent pour tous
les étages, et particulièrement marqué pour les
étages 2 à 5. Ce problème étant constaté sur une
large plage de vitesse de vent (particulièrement aux
étages supérieures), on peut craindre une sousventilation de longue durée de certaines pièces
pouvant entraîner des problèmes sanitaires, et ce
même en tenant compte du caractère variable du
vent en vitesse et en direction.
250
200
150
Entrées d'air sous le
vent
100
50
Entrées d'air au vent
0
-50 0
5
10
15
-100
-150
V° (m/sec)
Les figures 5 et 6 montrent une grande influence du
module entrées d’air de la façade au vent sur la
vitesse de vent à partir de laquelle survient le
traversant :
Au 5ème étage par exemple, pour M1 = 150, il a lieu
dès 4,5 m/sec de vent météo, et seulement pour 16
m/sec de vent météo pour M1 = 40 (M2 reste égal à
90).
80
60
40
20
0
-20 0
-40
-60
-80
-100
-120
Figure 6 : cas d’un problème récurrent de
traversant
La vitesse limite de vent à laquelle apparaît le
traversant ne dépend pas des modules d’entrées
d’air de la façade sous le vent ; ceci était prévisible
car à cette vitesse de vent on a équilibre de pression
de part et d’autre de la façade. En revanche
l’ampleur du traversant lorsqu’il a lieu dépend de
ces modules, mais de façon faible (figure 7).
20
M1=90
5
10
15
20
25
0
-20 0
M1=150
M1=40
Q (m3/h)
Q (m3/h)
Débit (m3/h)
40
Pour des vitesses de vent modérées
(inférieures à 10 m/s), les pièces sous le vent sont
sous-ventilées (ceci est à nuancer pour les très
faibles vitesses de vent, c’est à dire moins de 3
m/sec, pour lesquelles l’assistance mécanique peut
fournir un complément de ventilation)
Dès 5 m/sec de vent le logement est mis en
traversant ; pour 10 m/sec de vent, ce phénomène
de traversant est très important, doublant presque le
débit d’air sortant du logement (aux 120 m3/h
normalement extraits par les bouches s’ajoutent 110
m3/h sortant par traversant) et donc la
consommation d’énergie liée à la ventilation. On a
alors un surdébit très important au niveau des
pièces au vent (près de 240 m3/heure, contre 90
m3/heure dans le cas d’une ventilation normale), et
donc potentiellement une forte sensation
d’inconfort thermique pour les occupants. Ces
problèmes peuvent être chroniques en cas de vent
dominant et peuvent conduire à des comportements
néfastes de leur part comme l’obstruction des
entrées d’air conduisant à des problèmes sanitaires.
Q (m3/h)
La figure 4, correspondant à des simulations dans la
même configuration matérielle et pour une vitesse
de vent de 8 m/sec met en évidence que, lorsque
l’on rencontre des problèmes de traversant au(x)
dernier(s) étages, on a fréquemment des problèmes
de sous-ventilation aux étages intermédiaires ainsi
qu’à ceux concernés par le traversant proprement
dit.
2
4
6
8
10
12
-40
M2=90
-60
M2=150
-80
-100
V° (m/sec)
Figure 5 : Débit au travers des entrées d’air de la
façade sous le vent au 5ème étage
Dans le cas d’un module d’entrées d’air au vent de
150, le 5ème étage connaît en permanence des
problèmes liés à la ventilation (figure 6) :
-120
-140
V° (m/sec)
Figure 7 : Débit au travers des entrées d’air de la
façade sous le vent, M1 = 150
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On remarque que l’écart est quasiment nul par vent
modéré et atteint 10% par grand vent ; une action
sur ces modules n’aurait donc qu’un effet marginal
sur le phénomène global de traversant.
QUELQUES
PISTES
TECHNIQUES
DE
SOLUTIONS
Le traversant est avant tout lié aux entrées d’air,
c’est donc sur elles que doivent porter les solutions
le concernant.
Le traversant est d’autant plus fréquent que les
modules d’entrées d’air au vent sont importants ; il
n’est cependant pas possible de les réduire
fortement sous peine de ne pas respecter les
dimensionnements de ventilation, le vent étant par
nature variable.
Il existe des entrées d’air à module variable dites
autoréglables, permettant de résoudre en partie le
problème. En effet, lorsque la pression en façade
devient trop importante, une telle entrée d’air
permet de réduire le flux d’air entrant et retarde
ainsi l’apparition du traversant.
Q (m3/h)
Entrée d'air autoréglable idéale
Q=f(P)
0
5
10
15
CONCLUSION
Le phénomène de ventilation traversante dans
l’habitat collectif a été simulé grâce à un modèle
nodal de pression. Ce modèle permet de calculer les
débits obtenus au travers des différentes entrées
d’air, de mettre en évidence leurs excès,
insuffisances ou inversions, et de constater que ces
problèmes, dont l’expression la plus flagrante est
l’apparition de traversant, ont des conséquences sur
l’ensemble des paramètres d’ambiance intérieure
dans les logements ainsi que sur les consommations
de chauffage. On a pu constater que ce phénomène,
s’il touche en priorité les bâtiments de hauteur
importante, n’est pas marginal et concerne des
vitesses de vent usuelles. Si des solutions peuvent
être ébauchées pour réduire l’ampleur de ce
problème, on n’a pu identifier de solution
définitive.
Cette étude, macroscopique au niveau des
logements, devra être complétée par une étude
paramétrique plus précise permettant d’identifier
les impacts réels sur les paramètres d’ambiance.
Cette étude utilisera des moyens de simulation plus
fins de mécanique des fluides (CFD : computational
fluid dynamics) et aura pour but de mettre en place
des méthodes d’optimisation du système de
ventilation.
REMERCIEMENTS
Les auteurs tiennent à remercier A.M. Bernard
(CETIAT) pour son aide lors de la recherche
bibliographique ainsi que D. Pihan (ASTATO) pour
sa contribution à l’illustration de l’article.
20
P (Pa)
Figure 8 : Caractéristique d’une entrée d’air
autoréglable idéale
Cependant cette solution a ses limites :
- des difficultés techniques existent pour obtenir des
entrées d’air parfaitement autoréglables et dont les
performances sont stables dans le temps ;
- la perméabilité de l’enveloppe, dont il n’a pas été
tenu compte dans ces simulations, contribue
également au traversant
Elle permet néanmoins d’apporter une réponse
partielle au problème et d’en limiter l’ampleur.
Une autre solution alternative à la précédente est
une entrée d’air centralisée par appartement avec
distribution de l’air neuf dans les pièces.
REFERENCES
[1] Collard, P, Approche multicritère de l’évaluation
de la qualité des ambiances intérieures: application
aux bâtiments tertiaires, Thèse de doctorat,
université de savoie, Chambéry, France, 204 pages,
septembre 2001
[2] Wurtz, E, Adéquation entre environnements de
programmation et simulations thermo-aérauliques
de niveau de finesse intermédiaires, Habilitation à
diriger des recherches, Université de La Rochelle,
France, 171 pages, novembre 2002
[3] Comis 3.0 user’s guide, édité par H.E Feustel et
B.V. Smith, Berkeley, Californie, aout 1997
[4] J.R. Millet, S. Moutet, J. Riberon, J.G.
Villenave, Ventilation naturelle et utilisation du gaz
en réhabilitation, Cahiers du CSTB, n°2887,
livraison 370, juin 1996
[5] M. W. LIDDAMENT, A guide to energy
efficient ventilation, AIVC Guide, Mars 1996
5
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