Simulation aérodynamique Bouéni4.08 Mo

Rapport d'étude En - 15-104 v1
Nombre de pages : 41
ADEME-MAYOTTE
Analyse aérodynamique en ventilation naturelle
D’un bâtiment d’enseignement
Application au cas type du collège Bouéni à Mayotte
Programme PREBAT – Démarche MAYENERGIE PLUS pour Mayotte
Cette étude a été réalisée conformément à
notre devis n° 14-41 En du 31 octobre 2014
Paris, le 14 mai 2015
Benoît BLANCHARD
Gérant
67, rue Boileau
75016 PARIS
Tél. : (33) 01.42.88.47.40
Fax : (33) 01.42.88.35.39
Visioconférence : (33) 01.45.24.72.02
http://www.aerodynamiqueeiffel.fr
SARL au capital de 24.391,84 €
RCS PARIS B 327 932 034
Siret 327 932 034 00017
Code APE 7112B
N° TVA : FR 95 327 932 034
AERODYNAMIQUE EIFFEL
En 15 – 104 – v1
1.
INTRODUCTION ........................................................................................................2
1.1
PREAMBULE.................................................................................................................................................. 2
1.2
OBJECTIF ....................................................................................................................................................... 2
1.3
LE SUPPORT DE L’ETUDE ......................................................................................................................... 3
2.
LOCALISATION DU SITE .........................................................................................4
3.
METHODES EXPERIMENTALES .............................................................................6
3.1
LA SOUFFLERIE ........................................................................................................................................... 6
3.1.1
CARATERISTIQUES DU VENT ET SIMULATION EN SOUFFLERIE ................................................. 7
3.2
L’ INSTRUMENTATION ............................................................................................................................ 10
3.3
LA MAQUETTE ........................................................................................................................................... 10
4.
APPROCHE THEORIQUE DE LA PROBLEMATIQUE : VENTILATION
NATURELLE ...................................................................................................................17
4.1
LE PARAMETRE DE LA GENE................................................................................................................ 17
4.2
RECALAGE DES VITESSES DE VENT PAR RAPPORT A LA REFERENCE DE LA STATION
METEOROLOGIQUE ET COEFFICIENT LOCAL.............................................................................................. 19
4.3
CONDITION D’UNE BONNE IRRIGATION ........................................................................................... 22
5.
IMPLANTATION DES POINTS DE MESURE..........................................................23
6.
RESULTATS DES ESSAIS......................................................................................29
6.1
Bâtiment Restauration .................................................................................................................................. 29
6.2
Bâtiment F – Salles de cours ......................................................................................................................... 30
6.3
Bâtiment A – Bâtiment administratif........................................................................................................... 31
7.
CONCLUSION .........................................................................................................33
ANNEXE : Synthèse aérodynamique de Jacques Gandemer ……………………….……………34
Approche expérimentale en soufflerie de la ventilation naturelle du collège Bouéni
1
AERODYNAMIQUE EIFFEL
En 15 – 104 – v1
1.
INTRODUCTION
1.1
PREAMBULE
L’ADEME Mayotte a mis en place un programme local « PREBAT - Démarche MAYENERGIE
PLUS pour Mayotte» visant à réaliser des bâtiments à faible consommation énergétique. A
Mayotte, l’objectif principal est de réduire la consommation énergétique de la climatisation en
réduisant son usage ou en évitant de l’installer.
Pour cela, il est nécessaire en climat tropical humide :
- De maîtriser les apports solaires,
- De limiter les apports internes,
- Et surtout de bénéficier d’une ventilation naturelle performante,
Ce dernier point si fondamental nécessite de comprendre la problématique « ventilation naturelle »
dans sa globalité, à savoir de bénéficier d’études permettant de quantifier les écoulements effectifs
d’irrigation interne dans les bâtiments et les associer à des débits de renouvellement d’air. Il
convient donc de coupler la maîtrise de l’énergie à l’obtention de conditions de confort thermique.
L’ADEME Mayotte a choisi de mettre en place ce programme dans les établissements
d’enseignement et de confier à Aérodynamique Eiffel l’étude d’un cas type, le Collège Bouéni
L’ensemble des travaux a été mené en avril 2015 au Laboratoire Aérodynamique Eiffel en
collaboration avec Jacques Gandemer Conseil qui intervient à la genèse sur la conception
aérothermique de l’ouvrage.
1.2
OBJECTIF
Le programme d'étude comporte plusieurs phases successives d'analyse et d'essais en soufflerie,
dont l'objectif est d'identifier et quantifier les niveaux de vitesse obtenus dans les différents
espaces d’occupation et d’optimiser les performances aérauliques. La finalité de ces travaux est à
terme d'apporter une réponse aux problèmes d'inconfort en proposant, en accord avec les
concepteurs, des solutions jugées pertinentes et réalistes contrôlées par des mesures
anémométriques et des visualisations avec de la fumée.
Approche expérimentale en soufflerie de la ventilation naturelle du collège Bouéni
2
AERODYNAMIQUE EIFFEL
En 15 – 104 – v1
1.3
LE SUPPORT DE L’ETUDE
Les documents de référence ont été les suivants :
Les plans numériques de l’ouvrage,
Les données climatiques du vent,
La fabrication de la maquette en plexiglas et de sa topographie proche en mousse à
l’échelle du 1/175,
Les différents échanges avec Jacques Gandemer,
Le devis-programme n° 14-41 En du 31 octobre 2014.
Approche expérimentale en soufflerie de la ventilation naturelle du collège Bouéni
3
AERODYNAMIQUE EIFFEL
En 15 – 104 – v1
2.
LOCALISATION DU SITE
Le projet de construction du collège se trouve sur la commune de Bouéni qui est situé dans la
partie Sud Ouest de l’Ile de Mayotte en bord de mer (Figure 2-1 et Figure 2-2). On voit également
sur la figure ci-dessous la localisation de la station météorologique de Dzaoudzi, située sur
l’aéroport à l’Ouest de l’ile de Mayotte.
Figure 2-1 Localisation
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4
AERODYNAMIQUE EIFFEL
En 15 – 104 – v1
Figure 2-2 Localisation
Il faut noter que le collège se trouve sur un terrain à forte pente., orienté sud-ouest vers nord-est
Approche expérimentale en soufflerie de la ventilation naturelle du collège Bouéni
5
AERODYNAMIQUE EIFFEL
En 15 – 104 – v1
3.
3.1
METHODES EXPERIMENTALES
LA SOUFFLERIE
La soufflerie d'AERODYNAMIQUE EIFFEL (cf. page suivante) à retour libre par le hall, possède
une veine d'expérimentation non guidée de diamètre φ 2 m. Sa vitesse peut être réglée
continûment entre un seuil faible de l'ordre de 0,50 m/s et un maximum variable selon
l'obstruction de la veine (pouvant atteindre 30 m/s quand la veine est peu encombrée).Le fait que
la veine ne soit pas guidée permet de tester des maquettes d'échelles relativement grandes sans
obstruction gênante. Ceci est d'autant plus vrai que la méthode de mesure de la vitesse, dite
"référence EIFFEL", ne nécessitant pas de capteur dans la veine, on ne risque donc aucune
interaction maquette-capteur.
Pour cette étude, la partie amont de la veine d’essais a été modifié afin de reproduire le gradient
naturel du vent et sa turbulence en similitude avec celui du site étudié.
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6
AERODYNAMIQUE EIFFEL
En 15 – 104 – v1
3.1.1
CARATERISTIQUES DU VENT ET SIMULATION EN SOUFFLERIE
Le vent est un phénomène fluctuant. Sa vitesse varie en module et en direction au cours du temps.
Elle peut s'écrire à l'instant t :
V(t ) = V + u ′(t )
où V est la valeur moyenne de la vitesse sur la période d'observation T et u ′(t ) la fluctuation
longitudinale de la vitesse autour de la valeur moyenne. Ainsi, la turbulence est caractérisée par
l'écart type σ de la fluctuation u ′(t ) sur la période T :
σ=
1T 2
2
∫ u ′ (t ).dt = u ′
T0
L'intensité de turbulence longitudinale est reliée à l'écart type par : I = σ .
V
La vitesse moyenne V et l'intensité turbulente I varient avec la hauteur z. La rugosité du sol est
caractérisée par le paramètre de rugosité z0 et la topographie du site. La croissance du module de
la vitesse moyenne avec la hauteur peut être caractérisée par une loi de type logarithmique de la
forme (cf. Eurocode 1, part 2-4 "actions du vent").
 z
V z = Kr ln
 z0

Vref

Avec
:
V z : vitesse moyenne à la hauteur z en site de rugosité z 0
Vref : vitesse moyenne de référence météorologique , à 10 m, en site de rugosité z 0 = 0,05 m
K r : facteur de rugosité
z : hauteur considérée
Approche expérimentale en soufflerie de la ventilation naturelle du collège Bouéni
7
AERODYNAMIQUE EIFFEL
En 15 – 104 – v1
Les profils théoriques de vitesse et d'intensité turbulents sont calculés à partir des formules
suivantes lorsque la hauteur z est supérieure à une valeur minimale hmin (en deçà le profil est
considéré constant et égal à la valeur obtenue pour cette hauteur) :
En référence au Document d'Application National (DAN) de l'Eurocode, le site du collège Bouéni
peut être assimilé à un terrain de catégorie 0, coté du sud à ouest, secteur où l’on trouve les vents
dominants et un terrain de catégorie IIIa de l’autre côté où les vents sont plus rares. Nous avons
choisi de reproduire le gradient 0 compte tenu du gradient moyen pour les 2 types de rugosité. Le
paramètre de rugosité z0, le facteur de terrain Kt et le facteur de rugosité Kr prennent les valeurs
suivantes :
Catégorie de terrain
Rugosité 0
Paramètre de
rugosité z0
Coefficient de
rugosité kr
0,005 m
0,16
Le vent est simulé en soufflerie au moyen de rugosités et de générateurs de tourbillons placés en
amont du modèle comme on peut le voir sur la photographie ci-dessous (Figure 3-1).
Figure 3-1 Soufflerie Eiffel
Approche expérimentale en soufflerie de la ventilation naturelle du collège Bouéni
8
AERODYNAMIQUE EIFFEL
En 15 – 104 – v1
Le gradient de vitesse moyenne est présenté ci-dessous et la comparaison avec les profils
théoriques montre un bon accord pour les hauteurs qui concernent la structure (Figure 3-2).
Gradient Collège Bouéni (1/175)
60
50
Z (m)
40
0
30
II
Veine
20
10
0
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
1,40
V/V(10m)
Figure 3-2 – Comparaison entre la courbe théorique pour un vent de rugosité 0 (violet) et II
(jaune) et la courbe effective du gradient de vitesse dans la veine (points vert)
L’intensité de turbulence modélisé pour ces essais est de 12% tout à fait comparable à une
turbulence d’un terrain de rugosité 0 dans la hauteur d’étude.
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9
AERODYNAMIQUE EIFFEL
En 15 – 104 – v1
3.2
L’ INSTRUMENTATION
Le matériel de mesure était composé des appareils suivants :
Un thermomètre de laboratoire,
Un baromètre type LEHALLE,
Tube de Pitot,
Micro manomètres de marque Furness permettant la mesure de la pression dynamique du
vent,
Un ordinateur équipé d’une carte d’acquisition pilotée par un logiciel développé sous
LABVIEW,
Des sondes anémométriques « film chaud »,
Un générateur du fumigène.
3.3
LA MAQUETTE
La maquette est réalisée à l’échelle 1/175. L’échelle de la maquette a été choisie pour être
significative et représentative de la restitution du champ de pressions moteur de la ventilation mais
aussi, pour pouvoir intégrer l’environnement immédiat bâti et l’un effet topographique du site.
La maquette est construite avec plusieurs matériaux :
Le plancher est en bois ;
Le volume de le topographie est en mousse (polystyrène extrudé),
Les bâtiments d’étude en plexiglas, les autres en mousse.
Les photographies des pages suivantes montrent la maquette en phase de construction puis lors des
premiers essais. (Figure 3-3, à Figure 3-13)
La maquette expérimentale est modifiable en fonction des paramètres de l’étude et des objectifs à
atteindre en ventilation naturelle. Elle reproduit fidèlement la géométrie et l’architecture du
bâtiment ainsi que toutes les entrées et sorties d’air.
Approche expérimentale en soufflerie de la ventilation naturelle du collège Bouéni
10
AERODYNAMIQUE EIFFEL
En 15 – 104 – v1
Figure 3-3 Photo de la maquette en cours de réalisation,
Figure 3-4 Photo maquette en cours de réalisation
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11
AERODYNAMIQUE EIFFEL
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Figure 3-5 Photo maquette en cours de réalisation
Figure 3-6 Photo maquette en cours de réalisation
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AERODYNAMIQUE EIFFEL
En 15 – 104 – v1
Figure 3-7 Photo de la maquette en soufflerie
Figure 3-8 Photo maquette en soufflerie
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AERODYNAMIQUE EIFFEL
En 15 – 104 – v1
Figure 3-9 Photo maquette en soufflerie
Figure 3-10 Photo maquette en soufflerie
NOTA : on remarquera sur la photographie ci-dessous les plans horizontaux dont le débord est
aussi long que la hauteur de la topographie au même endroit. Ils permettent d’empêcher le
décollement des flux d’air lié à la marche et d’avoir des courants d’air généraux parallèles à la
pente.
Approche expérimentale en soufflerie de la ventilation naturelle du collège Bouéni
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AERODYNAMIQUE EIFFEL
En 15 – 104 – v1
Figure 3-11 Photo maquette bâtiment administratif
Figure 3-12 Photo maquette bâtiment F
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15
AERODYNAMIQUE EIFFEL
En 15 – 104 – v1
Figure 3-13 Photo maquette bâtiment restauration
Le bâtiment de restauration est équipée de 3 ventilateurs dans le patio. Afin de simuler leur
fonctionnement sur maquette, un dispositif d’aspiration a été installé permettant de simuler une
vitesse d’aspiration de 2.5 m/s .
Approche expérimentale en soufflerie de la ventilation naturelle du collège Bouéni
16
AERODYNAMIQUE EIFFEL
En 15 – 104 – v1
4.
4.1
APPROCHE THEORIQUE
NATURELLE
DE
LA
PROBLEMATIQUE :
VENTILATION
LE PARAMETRE DE LA GENE
La conception en ventilation naturelle d’un collège qui comprend des salles de classes, des locaux
d’administration et techniques implique au préalable la caractérisation du confort en climat
tropical humide. Si l'on se place du point de vue de la ventilation naturelle, objet de cette étude, la
notion de température résultante est insuffisante, en effet il faut tenir compte de la vitesse de l'air
qui joue un rôle important sur l'occupant en favorisant les échanges par convection et évaporation
entre la peau et le milieu ambiant.
Plusieurs indices de confort permettent de traduire les sensations d'un individu vis-à-vis de ces
phénomènes ; Le plus représentatif pour notre étude est l'indice de la température effective
(S.E.T.) défini par GAGGE. Cet indice décrit la sensation d'un individu d'après l'échelle suivante :
-3
-2
-1
0
froid
frais
légèrement
frais
neutre
1
légèrement
neutre
2
tiède
3
chaud
Cette sensation est conditionnée par la vêture et l’activité du sujet et aussi par la température, la
vitesse de l’air et l’hygrométrie. Par exemple, dans notre cas d’étude nous avons retenu pour
l'individu une activité légère (1.2 MET) et une vêture usuelle sous ce genre de climat (chemise et
pantalon légers ~ 0.4 CLO).
Le réseau de courbes présenté fait alors apparaître l'évolution de la sensation de confort avec la
température et la vitesse de l'air à l'intérieur des locaux. La zone bleue (Figure 4-1) correspondant
à une sensation notée de + 0.5 à - 0.5 donnent les limites de la zone où 90% des individus
éprouvent réellement une sensation de confort ("zone de confort"). Il faut remarquer que le réseau
de courbes perd son sens en dessous de 0.25 m/s, car alors la convection naturelle n'est plus
négligeable.
Approche expérimentale en soufflerie de la ventilation naturelle du collège Bouéni
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AERODYNAMIQUE EIFFEL
En 15 – 104 – v1
Figure 4-1 : Variation de la sensation de confort en fonction de la vitesse et de la température de l'air (activité :
1.2 MET, vêture : 0.4 CLO, humidité : 16 g d'eau/kg air sec)
Si l'on se place dans les conditions de sensation neutre (I c = 0 ) et que l'on observe les couples
"vitesse d'air, température de l'air" produisant cette sensation, on a en particulier :
Vitesse de l'air (m/s)
0.3
0.7
1.1
1.5
1.9
Température de l'air (°C)
26
28.5
29.5
30
30.25
Toutes choses égales par ailleurs, on éprouve la même sensation de confort à 30°C lorsque la
vitesse de l'air est de 1.5 m/s qu'à 26°C en air calme. Dans ce cas, la ventilation naturelle est
équivalente à une baisse de 4°C de la température ressentie.
Si pendant les périodes les moins chaudes, une vitesse d'air de 0.3 m/s est suffisante, on constate
que pendant les périodes les plus chaudes, des vitesses d'air de l'ordre de 0.5 m/s à 1.5 m/s sont
nécessaires.
En conclusion, l'enjeu d'une ventilation naturelle efficace en climat tropical humide et
notamment pendant les périodes les plus chaudes Tair < 32°C), est d'abaisser de 3 à 4°C la
température effective ressentie, afin de se placer dans des conditions de confort type
−0. 5 ≤ I c ≤ 0. 5 ) en créant à l'intérieur des locaux des circulations fluides suffisantes, soit de
(−
0.5 à 1.5 m/s environ (valeur moyenne ~ 1 m/s).
Approche expérimentale en soufflerie de la ventilation naturelle du collège Bouéni
18
AERODYNAMIQUE EIFFEL
En 15 – 104 – v1
4.2
RECALAGE DES VITESSES DE VENT PAR RAPPORT A LA REFERENCE DE
LA STATION METEOROLOGIQUE ET COEFFICIENT LOCAL
Les données météorologiques viennent de la Station Dzaoudzi, située à 25 km au Nord/Nord-Est
du projet ont été fournies par Simon Chauvat de LEU puis traitées pour avoir la rose des vents
pour des vitesses de 0,5 à 2,5 m/s, de 2,5 à 4,5 m/s et au-dessus de 4,5 m/s. Les 3 roses des vents
sont présentées ci-dessous.
Approche expérimentale en soufflerie de la ventilation naturelle du collège Bouéni
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AERODYNAMIQUE EIFFEL
En 15 – 104 – v1
Approche expérimentale en soufflerie de la ventilation naturelle du collège Bouéni
20
AERODYNAMIQUE EIFFEL
En 15 – 104 – v1
On constate que les vents sont très majoritairement dans le secteur Sud-Est à Sud-Ouest et que les
vents sont supérieurs à 2,5 m/s 66% du temps.
La période critique pour la ventilation naturelle se situe la journée pendant les mois d’été, de
décembre à mars. Pour cette période on a quelques vents de Nord-Ouest et de Nord-Est mais la
majorité des flux d’irrigation sont de secteur Sud/Sud-Est à Ouest. Il a été décidé d’étudier
essentiellement les vents d’azimuts Sud/Sud –Est (157,5°), Sud-Ouest (225°), Nord-Ouest (315°)
et Nord-Nord-Ouest (337,5°).
On prendra comme vitesse de référence à une hauteur de 10 m à la station de Dzaoudzi la valeur
de 2,5 m/s :
U ref = 2.5m / s
Compte tenu que la Station météorologique est proche de la mer, nous avons choisi de conserver
la même vitesse de référence entre le site et celle mesurée à 10 m de hauteur à la station
météorologique. Ce choix est sécuritaire car en générale les stations météorologiques sont
installées sur des sites de rugosité II, ce qui nécessiterait d’augmenter la vitesse sur le site du
collège en rugosité 0 :
U ref 10 m = ⋅U 10 météo
Nous mesurons en chaque point "i" la vitesse de l’écoulement, soit :
A une hauteur de 8 mm au dessus du sol (1.5 m vraie grandeur) en une implantation
représentative dans les pièces d’activité,
Au centre d’ouverture (portes ou fenêtre) ce qui pourrait permettre de calculer des débits
de renouvellement d’air.
Donc les résultats de mesure en soufflerie sont exprimés sous la forme d'un coefficient de
vitesse sans dimension:
Approche expérimentale en soufflerie de la ventilation naturelle du collège Bouéni
21
AERODYNAMIQUE EIFFEL
En 15 – 104 – v1
Cli =
Ui
U ref
On présentera également les résultats sous forme d’une vitesse calculée en chaque point pour une
vitesse de référence Uréf = 2,5 m/s
4.3
CONDITION D’UNE BONNE IRRIGATION
Le critère adopté est que l’effet dynamique du vent doit être toujours supérieur à l’effet thermique
de convection naturelle (afin d’empêcher toutes stratifications thermiques) et précisément que la
vitesse dans les pièces soit supérieure à 0,5 m/s . Il faut aussi souligner, que le problème
fondamental est la sous-ventilation des locaux et pas la sur ventilation. En effet l’usager est
toujours capable de gérer la ventilation de son espace et contrôler le réglage des ouvrants.
Dans notre approche sur maquettes en soufflerie nous avons déterminé (anémométrie) les
coefficients Cl locaux et les vitesses réelles correspondantes de façon à pouvoir vérifier si
l’irrigation intérieur est suffisant.
Approche expérimentale en soufflerie de la ventilation naturelle du collège Bouéni
22
AERODYNAMIQUE EIFFEL
En 15 – 104 – v1
5.
IMPLANTATION DES POINTS DE MESURE
Trois des bâtiments du site ont été étudiés pour la ventilation naturelle :
Bâtiment Restauration – Positions 1 à 10
page 24
Bâtiment F (salles de cours) – Positions 11 à 19
page 25
Bâtiment A 2ème niveau – Positions 20 à 25 et 32 à 36
page 26
Bâtiment A 2ème niveau – Positions 26 à 31 et 37 à 40
page 27
Bâtiment A 1ere niveau – Positions 41 à 46
page 28
Approche expérimentale en soufflerie de la ventilation naturelle du collège Bouéni
23
AERODYNAMIQUE EIFFEL
En 15 – 104 – v1
Figure 5-1 - Implantation points de mesures Bâtiment de Restauration
Approche expérimentale en soufflerie de la ventilation naturelle du collège Bouéni
24
AERODYNAMIQUE EIFFEL
En 15 – 104 – v1
Figure 5-2 - Implantation points de mesures Bâtiment F
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25
AERODYNAMIQUE EIFFEL
En 15 – 104 – v1
Figure 5-3 - Implantation points de mesures Bâtiment A 2ème étage
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26
AERODYNAMIQUE EIFFEL
En 15 – 104 – v1
Figure 5-4 - Implantation points de mesures Bâtiment A 2ème étage
Les vitesses des points 26 à 31 et 38 à 40 sont mesurées au centre de fenêtre dont les surfaces à
l’échelle 1 sont les suivantes :
Point 26 :
S = 5 m²
Points 27 et 28 :
S = 5 m²
Points 29 à 31
S = 4 m²
Points 38 et 39
S = 2.8 m²
Point 40
S = 5.5 m²
Approche expérimentale en soufflerie de la ventilation naturelle du collège Bouéni
27
AERODYNAMIQUE EIFFEL
En 15 – 104 – v1
Figure 5-5 - Implantation points de mesures Bâtiment A 1er étage
Approche expérimentale en soufflerie de la ventilation naturelle du collège Bouéni
28
AERODYNAMIQUE EIFFEL
En 15 – 104 – v1
6.
RESULTATS DES ESSAIS
Les résultats sont présentés dans des tableaux sous forme de Cl locaux puis les vitesses calculées
pour une vitesse Vréf10m sur site (ou en météo) de 2,5 m/s. On rappelle que les vitesses du vent
sur site sont supérieurs ou égales à 2,5 m/s et dépassées 66% du temps.
Bat D - Restauration
Bâtiment Restauration
Points
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Points
Bat D - Restauration
6.1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
157,5°
Cl = U /Uréf
0,53
0,40
0,31
0,32
0,24
0,22
0,43
0,50
0,24
225°
Cl = U /Uréf
0,26
0,40
0,41
0,43
0,34
0,32
0,39
0,35
0,36
315°
Cl = U /Uréf
0,54
0,21
0,23
0,20
0,21
0,16
0,17
0,23
0,56
337,5°
Cl = U /Uréf
0,21
0,19
0,20
0,21
0,16
0,17
0,16
0,15
0,22
0,53
0,38
0,52
0,29
157,5°
Vlocale (m/s)
1,32
1,01
0,78
0,80
0,59
0,54
1,07
1,25
0,59
1,34
225°
Vlocale (m/s)
0,65
1,00
1,02
1,07
0,84
0,80
0,97
0,86
0,91
0,94
315°
Vlocale (m/s)
1,36
0,51
0,57
0,50
0,54
0,41
0,43
0,58
1,40
1,30
337,5°
Vlocale (m/s)
0,53
0,47
0,50
0,53
0,40
0,43
0,41
0,37
0,56
0,72
Approche expérimentale en soufflerie de la ventilation naturelle du collège Bouéni
29
AERODYNAMIQUE EIFFEL
En 15 – 104 – v1
Les cases sur fond bleu indiquent que les vitesses locales sont dans la zone de confort alors que
celles sur fond rouge indiquent que les vitesses sont sous cette limite.
On voit que pour les vents les plus courants de secteur sud, venant de la mer, le confort est assuré
pour plus de 66% du temps.
Pour les vents de direction 315°, la ventilation naturelle fonctionne correctement, et des vitesses
locales proches de la limite inférieure de la zone de confort.
Pour les vents de direction 337,5°, venant de la montagne, on se situe légèrement en dessous de la
limite de la zone de confort mais les vents sont rares pour cet azimut.
Bat F - Salles de cours
Bâtiment F – Salles de cours
Points
11
12
13
14
15
16
17
18
19
Bat F - Salles de cours
6.2
Points
11
12
13
14
15
16
17
18
19
157,5°
Cl = U /Uréf
0,87
0,93
0,81
0,57
0,86
0,92
0,62
0,78
225°
Cl = U /Uréf
0,58
0,51
0,47
0,46
0,33
0,52
0,47
0,20
315°
Cl = U /Uréf
0,23
0,27
0,23
0,43
0,19
0,67
0,19
0,19
337,5°
Cl = U /Uréf
0,67
0,83
0,48
0,80
0,80
0,79
0,53
0,58
0,87
0,38
0,64
0,73
157,5°
Vlocale (m/s)
2,18
2,33
2,02
1,42
2,16
2,30
1,56
1,96
2,16
225°
Vlocale (m/s)
1,46
1,27
1,17
1,14
0,82
1,29
1,17
0,49
0,96
315°
Vlocale (m/s)
0,57
0,68
0,57
1,08
0,47
1,67
0,47
0,48
1,59
337,5°
Vlocale (m/s)
1,68
2,07
1,20
1,99
1,99
1,98
1,32
1,44
1,84
Approche expérimentale en soufflerie de la ventilation naturelle du collège Bouéni
30
AERODYNAMIQUE EIFFEL
En 15 – 104 – v1
Bâtiment A – Bâtiment administratif
Points
Batiment A
6.3
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
157,5°
Cl = U /Uréf
0,68
0,80
0,39
0,42
0,38
0,27
0,49
0,60
0,60
0,64
0,40
0,48
0,63
0,31
0,12
0,17
0,17
0,27
0,27
0,27
0,26
0,28
0,44
0,12
0,69
0,71
0,87
225°
Cl = U /Uréf
0,50
0,61
0,45
0,47
0,44
0,54
0,66
0,64
0,67
0,22
0,21
0,24
0,41
0,41
0,19
0,19
0,16
0,27
0,29
0,28
0,23
0,26
0,29
0,36
0,50
0,41
0,32
315°
Cl = U /Uréf
0,41
0,36
0,40
0,36
0,27
0,22
0,32
0,43
0,38
0,20
0,14
0,13
0,25
0,15
0,11
0,14
0,15
0,30
0,34
0,35
0,35
0,24
0,32
0,26
0,53
0,50
0,45
337,5°
Cl = U /Uréf
0,39
0,29
0,26
0,22
0,12
0,12
0,19
0,17
0,18
0,12
0,12
0,13
0,28
0,16
0,11
0,12
0,13
0,34
0,56
0,53
0,56
0,21
0,40
0,31
0,26
0,36
0,19
Approche expérimentale en soufflerie de la ventilation naturelle du collège Bouéni
31
AERODYNAMIQUE EIFFEL
Batiment A
En 15 – 104 – v1
Points
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
157,5°
Vlocale (m/s)
1,70
2,00
0,98
1,05
0,94
0,69
1,24
1,50
1,50
1,61
0,99
1,20
1,57
0,78
0,30
0,42
0,43
0,69
0,67
0,68
0,64
0,70
1,09
0,30
1,73
1,77
2,18
225°
Vlocale (m/s)
1,25
1,53
1,12
1,19
1,10
1,34
1,66
1,59
1,68
0,55
0,52
0,60
1,02
1,04
0,48
0,48
0,40
0,67
0,73
0,70
0,59
0,65
0,72
0,89
1,25
1,02
0,80
315°
Vlocale (m/s)
1,02
0,90
1,00
0,89
0,68
0,55
0,79
1,06
0,96
0,51
0,36
0,33
0,64
0,38
0,27
0,35
0,37
0,75
0,85
0,88
0,89
0,60
0,80
0,65
1,33
1,26
1,13
337,5°
Vlocale (m/s)
0,97
0,73
0,64
0,55
0,31
0,29
0,48
0,42
0,44
0,30
0,30
0,32
0,70
0,40
0,29
0,31
0,33
0,85
1,41
1,32
1,41
0,54
1,00
0,79
0,66
0,91
0,47
Approche expérimentale en soufflerie de la ventilation naturelle du collège Bouéni
32
AERODYNAMIQUE EIFFEL
En 15 – 104 – v1
7.
CONCLUSION
La présente étude réalisée à la demande de l’ADEME dans le cadre du Programme PREBAT –
Démarche MAYENERGIE PLUS pour Mayotte a permis de vérifier en soufflerie sur maquette à
échelle réduite le fonctionnement en ventilation naturelle de plusieurs bâtiments du projet du
collège Bouéni. Les mesures ont été réalisés dans les Bâtiments A (bâtiment administratif),
Bâtiment F (salles de cours) et le bâtiment de restauration.
L’ensemble des résultats est donné au chapitre 6 et on trouvera en annexe les commentaires de
Jacques Gandemer sur le fonctionnement de la ventilation.
L’annexe rappelle également les enjeux de la ventilation naturelle, les différents modes de
fonctionnement ainsi la façon de la mettre en œuvre.
Un second rapport d’essais sera envoyé à l’ADEME avec le résultat de mesures de pression sur les
façades qui seront comparer aux mesures de vitesses.
Ce rapport comprendra également, autant que possible, des photographies des écoulements autour
des bâtiments. Les premiers clichés que nous avons effectués ne sont pas exploitables car le
nombre de bâtiments et une topographie complexe les rendent difficiles à réaliser.
A Paris, le 14 mai 2015
Benoit Blanchard
Gérant
Approche expérimentale en soufflerie de la ventilation naturelle du collège Bouéni
33
AERODYNAMIQUE EIFFEL
En 15 – 104 – v1
Jacques
GANDEMER
Conseil
1 1 7 r ue d e l a ma i rie
44240 Sucé sur Erdre
Tel : 0 9 5 4 3 3 3 9 5 7
M ob il e : 0 6 8 7 7 0 1 2 1 0
SIREN : 50 44 63 191
SIRET : 50 44 63 191 000 24
ja cq ue s.g a nd em er @f ree .f r
Sucé le 14 05 2015
Synthèse sur le développement en ventilation
naturelle du Collège Bouéni à Mayotte
1- Rappel sur les enjeux, sur les objectifs de la ventilation naturelle et sur l’architecture
climatique en milieu tropical humide
Les finalités de la ventilation naturelle sont multiples :
- Assurer la qualité de l’air hygiénique intérieur. Dans ce contexte (régit par la réglementation) il est
demandé des taux de renouvellement d’air de l’ordre d’un à deux volumes/heure pour les salles de
classe par exemple.
- Evacuer les charges thermiques intérieurs, tels que celles émises par les sources chaudes
(éclairage artificiel, ordinateurs etc., mais aussi les parois chaudes rayonnant à l’intérieur, et les
occupants).
Pour un bâtiment de conception thermique correcte, on constate physiquement qu’en général les
charges thermiques sont correctement évacuées (température intérieure identique à celle à
l’extérieur sous abri ventilé) pour des taux de renouvellement d’air de l’ordre de 15 volumes/heure.
Approche expérimentale en soufflerie de la ventilation naturelle du collège Bouéni
34
AERODYNAMIQUE EIFFEL
En 15 – 104 – v1
Note 1: Un bâtiment sera de conception thermique correcte s’il considère notamment les différents
paramètres suivants :
- couleurs extérieures claires ou réfléchissantes
- protection des ouvertures et baies du soleil directe au Nord (et si possible à l’Ouest et à l’Est)
- bonne protection solaire en toiture (double toit ventilé ou isolation appropriée) et isolation
complémentaire en façades Ouest et Est
- matériaux à très faible émissivité (vers l’intérieur)
Note 2 : En termes d’évaluation des charges de « fonctionnement interne », le corps humain
représente une puissance variable en fonction de son activité, mais pour une activité scolaire on
peut proposer 100W par occupant, et par ordinateur.
- Développer le confort thermique de l’occupant dans ses espaces et couches de vie, en créant des
vitesses d’irrigation suffisantes : pour des gammes de vitesses de balayage de l’air de 0.5 m/s à
1.5 m/s, (échanges accélérés en convection forcée entre le corps humain et son environnement
extérieur), la température effective ressentie par le corps humain est de 4°C inferieure à celle de
l’ambiance thermique physique (24°C par exemple alo rs que le thermomètre indique 28°C). Cette
baisse de température peut être augmentée avec la vitesse de l’air, mais on admet que pour V>
2.5m/s la gêne peut commencer.
Si l’on traduit cette gamme de niveaux de vitesses de balayage internes (permettant d’obtenir une
température ressentie de -4°à -5°C) en taux de reno uvellement d’air on dépasse les 100
volumes/heure.
Note 3 : Ces écoulements internes débitants sont des écoulements fluctuant (turbulents). Ils
résultent d’écoulements équilibrage entre les ouvertures en façade et toitures qui ne sont pas à la
même pression. Le champs de pression externe moteur du mécanisme est lui-même turbulent, et
résulte de l’interaction du vent incident (fluctuant) et de la géométrie de l’obstacle bâti.
En objectif stratégique de développement d’une ventilation naturelle appliquée au confort
thermique il existe une condition fondamentale : si l’on ne peut pas toujours avoir une conception
aérodynamique et aéraulique suffisamment performante pour atteindre les niveaux de vitesses
recherchés pour le confort thermique ou qu’en en fonction des sites et de leur environnement
le « signal » vent se trouve freiné ou renduit, il faudra cependant et impérativement assurer une
Approche expérimentale en soufflerie de la ventilation naturelle du collège Bouéni
35
AERODYNAMIQUE EIFFEL
En 15 – 104 – v1
conception aérodynamique permettant des taux de renouvellement d’air supérieurs à 15 volume
/heure. Dans ces conditions les charges thermiques internes sont évacuées, et on utilisera des
brasseurs d’air (adaptés et correctement répartis) pour créer une dynamique de 1 m/s des
écoulements de brassage pour assurer le confort thermique ressenti. Dans ces conditions le
confort sera alors semblable à celui obtenu précédemment avec la meilleure conception
aérodynamique autorisant des vitesses d’irrigation « naturelles » allant de 0.5 m/s à 2 m/s.
Note 4: Il est évident que lorsque la conception climatique de la construction traite le confort
thermique des espaces, les « contraintes » de décharge thermique et d’hygiène de l’air sont
largement résolues.
L’Architecture climatique considère globalement le vent, le soleil, la pluie, le végétal et l’eau, et
utilise ces potentiels climatiques naturels à des fins de contrôle et de développement du confort
thermique de l’usager. Cependant dans le développement en ventilation naturelle de la
construction, le vent représente évidemment le paramètre déterminant.
Pour réussir une ventilation naturelle efficace dans un Projet, il est indispensable que :
- Le « signal » vent soit suffisant sur le site (exemple de critère : vitesse moyenne de 3 m/s à 10 m
de hauteur sur le site dépassée pendant plus de 50% du temps). La force du vent, fonction de la
direction, est pondérée par le jeu des rugosités amonts (bâties et végétales), et les effets
topographiques. Un recalage climatique du site par rapport aux données de la station
météorologique doit être fait.
- L’environnement immédiat, qui interfère aérodynamiquement directement avec le projet (effets de
sillage, de masque etc.), soit pris en compte dans une approche système.
- L’architecture externe, par sa géométrie et son organisation,
permet une implantation et un
dimensionnement correct des transparences et ouïes d’admission d’air en façades.
Note 5 : En général 30% à 50% de porosité de façade sont nécessaire, avec un contrôle progressif
des ouvertures d’une part, et des extractions naturelles d’air en façade traversante et /ou en patios
et puits dépressionnaires de toiture (surface globale équivalente à celle des entrées, et insensibilité
à la direction du vent, si une géométrie spécifique de l’ajutage de sortie en toiture est adoptée)
d’autre part.
- L’architecture interne soit débitante, afin de permettre un transit libre et une fluidité des
écoulements : absence d’obstacles, de cloisons
perpendiculaires au flux traversant, avec une
surface de passage de l’air toujours supérieure à la transparence globale de celle de la plus petite
Approche expérimentale en soufflerie de la ventilation naturelle du collège Bouéni
36
AERODYNAMIQUE EIFFEL
En 15 – 104 – v1
porosité des deux façades opposées. Ces écoulements traversants doivent balayer plus
précisément les couches de vie et zones de séjours.
Précisons aussi que l’efficacité d’une architecture climatique est dépendant de sa gestion :
- Les ouvrants sont à ouvertures progressives et ajustables (0 à 80%) pour des raisons de
protection contre la pluie (ou d’alerte cyclonique), pour réduire les entrées (frein aux vitesses d’air
trop élevées) lors de conditions de vent trop fort, mais surtout pour ajuster (débit, vitesse,
distribution) les flux internes d’irrigation pour développer et contrôler le meilleur confort thermique
de l’occupant.
- La ventilation naturelle de nuit (-4°C minimum par rapport au jour en saison chaude ) doit être
systématiquement considéré pour décharger les masses thermiques et permettre par inertie le
lendemain matin le rayonnement frais. Cette capacité d’échanges, d’accumulation et de restitution
(rayonnement), avec déphasage (temps type de réponse des systèmes inertiels du bâtiment de 2 à
4 heures) , demande pour bien fonctionner des taux de renouvellement nocturnes moins élevés que
ceux développés le jour (5 volumes /heure par exemple peuvent suffire). Mais si l’on veut bénéficier
du dispositif, il faudra « garder le frais nocturne » alors acquit (le minima extérieur est vers 4h du
matin) et fermer alors tous les ouvrants au lever du jour (température intérieure inferieure à la
température extérieure). Lorsqu’en cours de matinée la température intérieure atteindra les 26°C
(thermomètre), il faudra alors re-ouvrir les baies et jalousies pour que les écoulements naturels
traversant
(débitant) développent par convection forcée une baisse de température ressentie.
2- Application au travail de conception théorique du Collège Boueni
Les réflexions, le travail de conception et les développements
aéro-climatiques (ventilation
naturelle) du Projet dont été réalisées courant 2014 avec l’équipe de Maîtrise d’œuvre A.Perrau et
M. Raynaud, LEU Réunion, et JGC.
L’analyse climatique du site donne une bonne potentialité de ventilation, puisque le recalage
climatique par rapport à la station de météorologique de DZAOUDZI conduit à une fréquence de
69% du temps où la vitesse des flux dépasse 2.5m/s à 10 m de hauteur, avec une grande majorité
des flux orientés du Sud Est au Sud Ouest (par le Sud) , mais l’été il existe des vents ou brises du
Nord Ouest et du Nord Est qui sont déterminants.
Approche expérimentale en soufflerie de la ventilation naturelle du collège Bouéni
37
AERODYNAMIQUE EIFFEL
En 15 – 104 – v1
Distribution annuelle
Décembre
Janvier
Il a pu alors être construit une stratégie d’architecture bioclimatique, avec une conception
thermique optimisée du bâti et une architecture à fort développement en ventilation naturelle:
- Le plan masse et les espaces intermédiaires :
Le plan masse se veut aussi « respirant» que possible. Il est disposé suivant «trois marches » sur
la pentes pour être totalement ouvert (sans masques) aux vents (dont les brises marines) de
l’Ouest à l’Est par le Sud .
La marche haute reçoit les unités bâtis de salles de cours (niveaux R+1 et R+2), implantés plutôt
suivant une ligne (axe Est Ouest) de niveau. Des larges brèches et des espaces intermédiaires
libres sont aménagés entre et autour des modules, et certaines unîtes présentent des
transparences de rez de chaussée, et d’autres sont sur pilotis (logements).
Une deuxième marche intermédiaire (niveau inferieur) reçoit la Restauration.
La marche basse reçoit le bâtiment central de l’Accueil et l’Administration, et à l’extrémité Ouest
des logements dégagés du sol par des pilotis.
Cette organisation, qui utilise la topographie (pente nord Sud), donne au plan masse caractère
tridimensionnelle favorable aux brassages des flux, et réduit les effets de sillage. En outre, compte
tenue de la création des larges espaces intermédiaires végétalisés et arborés et de l’environnement
Approche expérimentale en soufflerie de la ventilation naturelle du collège Bouéni
38
AERODYNAMIQUE EIFFEL
En 15 – 104 – v1
immédiat végétal du terrain, les effets bénéfiques (rayonnement, inertie, absorption, évaporation,
protection solaires, filtre, etc.) des interactions « bâti – végétation » sont largement favorisés, et
vont contribuer à la qualité climatique et l’ambiance thermique du Collège.
Les données statistiques donnent comme orientations de directions des flux les plus marqués du
Sud Est au Sud Ouest (par le Sud), mais l’été les flux du Nord Est et du Nord Ouest sont très
présents. En conséquence l’orientation des modules bâtis linéaires a été organisée de façon à ce
que leurs façades perméables soient perpendiculairement à l’axe Nord –Sud afin de développer,
entre façades opposées, la meilleure potentialité de ventilation traversante.
- Une architecture aérothermique:
Les constructions de type « Salles de cours » (D-E-F-G-H) sont définies en trame mince
(épaisseur<7m), avec des porosités de façades de 40% à 65%, et sont perpendiculaires aux flux
irrigants le site. Compte tenue de l’effet de déclivité, pour augmenter le « captage » des flux à
l’admission (vents des secteurs autour du Sud) et pour un développer la « dépression à
l’extraction » (vents de secteurs autour du Nord), les mono-pentes des toits ont été inversées par
rapport à la pente naturelle du terrain.
Le bâtiment Accueil et Administration en implantation centrale basse sur le terrain présente trois
niveaux, cape bien les flux de secteurs Sud, mais se trouve sous effets de sillages et de masques
pour les vents de secteurs Nord. Une architecture climatique spécifique a alors été élaborée autour
d’un espace patio central, de large dimension, pour former un puits dépressionnaire d’extraction,
efficace quelque soit la direction des vents. L’émergence du patio au dessus de la toiture terrasse a
été portée à un niveau supplémentaire (3m) pour pouvoir se dégager des interactions
aérodynamiques immédiates. Les façades des différents niveaux, et celles débouchant sur le puitspatio ont des perméabilités dépassant largement les 50% avec une répartition homogènes et
reparties sur l’ensemble des périmètres. Les écoulements dynamiques de ventilation s’instaurent
toujours (et pour tous les vents) de la façade extérieure d’entrée, transitent dans l’espace de vie et
les ventile, puis sortent par le patio central. Les écrans pare-soleil, en aubes verticales, sont
décalés par rapport aux plans des façades afin de ne pas réduire la porosité aérodynamique des
façades.
Le Bâtiment Restaurant en marche intermédiaire, avec une problématique forte d’effets de masque
et d’interactions aérodynamiques avec le bâtiment D, présente une architecture dessinée autour
d’un « patio central ». Mais pour assurer l’extraction naturelle (dépression) par le puits central il
aurait fallu construire une cheminée émergente au dessus du faîtage du bâtiment D, ce qui n’a pas
de sens pratique. Le concept novateur est de créer artificiellement une dépression dans le patio
par la mise en place de trois ventilateurs à vitesses variable (grand diamètre, un tour seconde,
Approche expérimentale en soufflerie de la ventilation naturelle du collège Bouéni
39
AERODYNAMIQUE EIFFEL
En 15 – 104 – v1
puissance faible : type Power fan industriel) qui assurent un débit d’extraction piloté (débit
maximum : 2,5 m/s x surface du patio). Les façades, et celles débouchant sur le patio à extraction
assistée, ont des perméabilités dépassant largement les 50% avec une répartition homogènes et
reparties sur l’ensemble des périmètres.
- Implantation systématique de brasseur d’air
En complément de la gestion appropriée des ouvrants et de la mise en œuvre d’une ventilation de
nuit, et afin d’affiner le contrôle et l’optimisation du confort thermique, il est implanté dans tous les
espaces en ventilation naturelle des brasseurs d’air (vitesse variable - diamètre 1.5m – un brasseur
par 15m²).
3- Quantification de l’efficacité en ventilation naturelle par simulation physique (maquette
en soufflerie) au Laboratoire Aérodynamique Eiffel
Le présent rapport d’étude En-15-104 explicite toute la démarche de cette simulation (voir les
chapitres précédent), expose et analyse les mesures de champs de vitesses de ventilation, et
quantifie l’efficacité de la conception aérodynamique en ventilation naturelle (et naturelle assistée)
du futur Collège Boueni.
Les résultats sont édifiants : dès qu’un vent de 2.5m/s existe sur le site les champs de vitesses
d’irrigation interne se positionnent (en potentiel) de vitesses moyennes :
- entre 0.5m/s et 2m/s pour les Salles de cours,
- entre 0.35 m/s et 2 m/s pour le Bâtiment Accueil et Administration,
- entre 0.45 m/s et 1.35 pour le Bâtiment Restauration (ventilation de patio assistée) .
Globalement la conception aérodynamique est efficace et sûr.
On peut remarquer qu’une amélioration est possible pour l’aile en extrémité Ouest (points 43-35-36)
du bâtiment A, cette dernière étant relativement un peu moins ventilée que le reste. On peut
préconiser alors en mesure complémentaire sur cette partie une écope linéaire, ouvertes vers le
Nord (pente 45°, inversée au sens de la pente du to it, et hauteur d’ouverture de bouche d’écope de
1.2m).
4- Synthèse
Le Collège dans sa conception bioclimatique et aéro thermique développe une ventilation des
espaces de vie performante en assurant 69 % du temps une température ressentie de plusieurs
Approche expérimentale en soufflerie de la ventilation naturelle du collège Bouéni
40
AERODYNAMIQUE EIFFEL
En 15 – 104 – v1
degrés inferieurs à la température extérieure (sous abri solaire). Dans ces conditions le confort
thermique est alors pleinement atteint.
Lorsque le vent tombe (inferieur à 2m/s), et compte tenue de l’excellent parti pris aérodynamique
des niveaux porosités de façade (supérieure à 50%) et des puits d’extractions (naturel ou assisté),
les taux de renouvellement d’air minimum nécessaires à l’évacuation des charges thermiques de
fonctionnement seront assurés (système de siphonage toujours existant avec des vitesses
d’entrées et de sorties de 0.1 m/s minimum, même par temps calme). Dans ces conditions le
confort thermique sera atteint par la mise en marche des brasseurs d’air .
L’interaction du Collège avec son environnement vert et ses espaces intermédiaires végétaux
contribuera aussi à un baissement de température ambiante (physique) de un ou deux degrés
notamment au niveau du sol et des rez de chaussées.
Rappelons enfin qu’il y aura toujours fort à gagner (abaissement inertiel de la température
intérieure) en jouant systématiquement avec la ventilation naturelle de nuit des espaces, en
l’associant à une gestion de bon sens des ouvertures et baies des façades ( voir « ventilation de
nuit » -§1) .
Jacques Gandemer
Approche expérimentale en soufflerie de la ventilation naturelle du collège Bouéni
41
Rapport d'étude En - 15-108 v1
Nombre de pages : 19
ADEME-MAYOTTE
Analyse aérodynamique en ventilation naturelle
D’un bâtiment d’enseignement
Application au cas type du collège Bouéni à Mayotte
Programme PREBAT – Démarche MAYENERGIE PLUS pour Mayotte
TOME 2
Cette étude a été réalisée conformément à
notre devis n° 14-41 En du 31 octobre 2014
Paris, le 28 mai 2015
Benoît BLANCHARD
Gérant
67, rue Boileau
75016 PARIS
Tél. : (33) 01.42.88.47.40
Fax : (33) 01.42.88.35.39
Visioconférence : (33) 01.45.24.72.02
http://www.aerodynamiqueeiffel.fr
SARL au capital de 24.391,84 €
RCS PARIS B 327 932 034
Siret 327 932 034 00017
Code APE 7112B
N° TVA : FR 95 327 932 034
AERODYNAMIQUE EIFFEL
En 15 – 104 – v1
1.
INTRODUCTION ........................................................................................................2
1.1
PREAMBULE.................................................................................................................................................. 2
1.2
LE SUPPORT DE L’ETUDE ......................................................................................................................... 2
2.
BASES DE L’ETUDE.................................................................................................3
3.
METHODES EXPERIMENTALES .............................................................................4
3.1
L’INSTRUMENTATION ............................................................................................................................... 4
3.2
IMPLANTATION DES POINTS DE MESURE .......................................................................................... 4
3.3
METHODES D’ESSAIS ................................................................................................................................. 7
4.
RESULTATS DES ESSAIS........................................................................................8
4.1
Bâtiment F – Salles de cours ........................................................................................................................... 8
4.2
Bâtiment A – Bâtiment administratif............................................................................................................. 9
5.
VISUALISATIONS ...................................................................................................10
5.1
AZIMUT 90° .................................................................................................................................................. 10
5.2
AZIMUT 180° ................................................................................................................................................ 13
5.3
AZIMUT 315° ................................................................................................................................................ 15
5.4
AZIMUT 337,5° ............................................................................................................................................. 17
6.
CONCLUSION .........................................................................................................19
Approche expérimentale en soufflerie de la ventilation naturelle du collège Bouéni
1
AERODYNAMIQUE EIFFEL
En 15 – 104 – v1
1.
INTRODUCTION
1.1
PREAMBULE
L’ADEME Mayotte a mis en place un programme local « PREBAT - Démarche MAYENERGIE
PLUS pour Mayotte» visant à réaliser des bâtiments à faible consommation énergétique. A
Mayotte, l’objectif principal est de réduire la consommation énergétique de la climatisation en
réduisant son usage ou en évitant de l’installer.
Pour cela, il est nécessaire en climat tropical humide :
- De maîtriser les apports solaires,
- De limiter les apports internes,
- Et surtout de bénéficier d’une ventilation naturelle performante,
Le dernier point a été traité par des essais au mois d’avril 2015 et les résultats des mesures de
vitesses pour évaluer le fonctionnement de la ventilation naturelle ont été consignés dans le
rapport En 15-104.
Le présent rapport vient le compléter avec les photographies des écoulements sur les bâtiments
d’étude (refaites en mai 2015) et des mesures de pression sur les façades pour corroborer les
mesures de vitesses (avril 2015).
1.2
LE SUPPORT DE L’ETUDE
Les documents de référence ont été les suivants :
L’ensemble des données dans le rapport En 15-104,
La maquette en plexiglas et de sa topographie proche en mousse à l’échelle du 1/175,
Le devis-programme n° 14-41 En du 31 octobre 2014.
Approche expérimentale en soufflerie de la ventilation naturelle du collège Bouéni
2
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2.
BASES DE L’ETUDE
On se reportera au rapport En 15-104 pour les éléments suivants :
Localisation du site : chapitre 2 – page 4 et 5
Méthodes expérimentales : chapitre 3 – pages 6 à 17
Recalage des vitesses : chapitre 4.2 – pages 19 à 21
Approche expérimentale en soufflerie de la ventilation naturelle du collège Bouéni
3
AERODYNAMIQUE EIFFEL
En 15 – 104 – v1
3.
3.1
METHODES EXPERIMENTALES
L’INSTRUMENTATION
Le matériel de mesure était composé des appareils suivants :
Un thermomètre de laboratoire,
Un baromètre type LEHALLE,
Tube de Pitot,
Micro manomètres de marque Furness permettant la mesure de la pression dynamique du
vent,
Un ordinateur équipé d’une carte d’acquisition pilotée par un logiciel développé sous
LABVIEW,
Des capteurs de pression différentielle SENSOR TECHNICS HCXPM005D6H (gamme
±500 Pa). Les informations délivrées par chaque capteur sont mesurées par une carte
d’acquisition multiplexée permettant une mesure synchrone,
Un générateur du fumigène.
3.2
IMPLANTATION DES POINTS DE MESURE
Les pressions ont été mesurés sur les bâtiments F (salles de cours) et A (administration) dont les
façades ont été rendues opaques:
Bâtiment F (salles de cours) – Positions 1 à 4 et 14 à 15
page 4
Bâtiment A (administration) – Positions 5 à 13
page 5
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4
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6
AERODYNAMIQUE EIFFEL
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3.3
METHODES D’ESSAIS
En référence à l'Eurocode 1, les essais ont été réalisés pour une période correspondante à 10 mn
échelle réelle soit pour conditions suivantes en soufflerie d’un vent moyen de 6,5 m/s sur une
période de 15,5 secondes à une fréquence de 200 Hz.
Les résultats sont fournis sous forme de coefficient de pression adimensionnel Cp :
Cp = ∆p / qveine
Où
∆p : pression maximum locale sur une période de 10 mn
qveine : pression dynamique de pointe de la veine d’essais
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7
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4.
4.1
RESULTATS DES ESSAIS
Bâtiment F – Salles de cours
Les tableaux ci-dessous présentent les résultats des pressions sur les façades, puis la différence de
pression motrice et enfin le coefficient Cl (= vitesse locale / vitesse de référence à hauteur de
10m).
j (°)
Cp 1
Cp 2
Cp1 - Cp2
Cl
157,5
0,12
-0,16
0,28
2,33
225
0,11
-0,16
0,27
1,27
315
-0,20
0,15
0,35
0,68
337,5
-0,22
0,15
0,37
2,07
j (°)
Cp 3
Cp 4
Cp3 - Cp4
Cl
157,5
0,09
-0,15
0,24
2,16
225
0,08
-0,11
0,18
0,82
315
-0,18
0,10
0,27
0,47
337,5
-0,16
0,15
0,31
1,99
j (°)
Cp 14
Cp 15
Cp14Cp15
Cl
157,5
0,07
-0,12
0,19
1,96
225
0,06
-0,08
0,14
0,49
315
-0,10
0,05
0,15
0,48
337,5
-0,17
0,11
0,28
1,44
On constate des coefficients de pression moteur relativement faibles mais qui permettent d’obtenir
des coefficients de vitesses suffisamment élevés pour assurer une ventilation naturelle efficace (cf
page 30 du rapport En 15-104). Cela démontre la nécessité d’avoir des porosités fortes dans les
façades.
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4.2
Bâtiment A – Bâtiment administratif
Les tableaux ci-dessous présentent les résultats des coefficients de pression sur les façades, du 2ème
niveau (points 8 à 13) et dans le puits dépressionnaire (points 5 à 7)
j (°)
Cp 5
Cp 6
Cp 7
Cp 8
Cp 9
Cp 10
Cp 11
Cp 12
Cp 13
157,5
-0,05
0,01
-0,05
0,34
0,21
-0,09
-0,16
-0,08
-0,04
225
-0,05
-0,04
-0,04
0,05
0,35
0,43
0,01
0,08
-0,06
315
-0,10
-0,09
-0,08
-0,10
-0,10
-0,22
0,13
0,05
-0,07
337,5
-0,10
-0,09
-0,09
-0,09
-0,10
-0,19
0,02
0,04
-0,01
On constate que les dépressions dans le puits sont assez faibles mais souvent supérieures aux
dépressions de façade et permettent d’avoir un flux de ventilation entre les façades et le puits. Il
faut aussi noter que les différences de pression sur les façades sont importantes et favoriseront une
ventilation traversante.
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AERODYNAMIQUE EIFFEL
En 15 – 104 – v1
5.
VISUALISATIONS
Des photographies des écoulements ont été réalisés pour illustrer le fonctionnement en ventilation
naturelle des bâtiments A et F
5.1
AZIMUT 90°
Dans le sillage des bâtiments en amont les flux d’air sont assez lents dans le bâtiment F. Compte
tenu de la topographie il existe une différence de pressions motrice entre les façades qui augmente
assez vite avec un azimut du vent qui s’oriente vers le sud ou vers le nord.
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AERODYNAMIQUE EIFFEL
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Les photographies ci-dessous illustrent le fonctionnement en ventilation traversante et en
ventilation par le puits dépressionnaire dans le bâtiment A.
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AERODYNAMIQUE EIFFEL
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12
AERODYNAMIQUE EIFFEL
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5.2
AZIMUT 180°
Pour des vents de secteur sud, la ventilation traversante est très efficace pour le bâtiment F.
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13
AERODYNAMIQUE EIFFEL
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La ventilation du bâtiment A reste mixte, traversante et par puits dépressionnaire, cette dernière
semblant prépondérante.
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5.3
AZIMUT 315°
Même sous cette incidence où le vent vient de la montagne, la ventilation traversante est très
efficace pour le bâtiment F.
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15
AERODYNAMIQUE EIFFEL
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Sous cette incidence du vent le bâtiment A se trouve dans le sillage des bâtiments en amont et de
la topographie. Les différences de pression sont faibles entre les façades et le patio (voir chapitre
précédent) mais néanmoins les mesures de vitesses montre que la ventilation naturelle reste
efficace. Comme pour les autres incidences le ventilation du bâtiment A est mixte, traversante et
par puits dépressionnaire, dans ce cas la ventilation traversante semble plus efficace.
Approche expérimentale en soufflerie de la ventilation naturelle du collège Bouéni
16
AERODYNAMIQUE EIFFEL
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5.4
AZIMUT 337,5°
La ventilation traversante pour le bâtiment F est également efficace pour cet incidence du vent.
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17
AERODYNAMIQUE EIFFEL
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Le fonctionnement de la ventilation du bâtiment A est identique à celui observé pour l’azimut
315° avec des vitesses d’écoulement faibles dans le sillage du bâtiment en amont.
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18
AERODYNAMIQUE EIFFEL
En 15 – 104 – v1
6.
CONCLUSION
Le présent rapport vient compléter le rapport Eiffel En - 15-104 qui présentait l’étude sur maquette
à échelle réduite de la ventilation naturelle des Bâtiments A (administratif), F (salles de cours) et
de restauration. L’étude rentre dans le cadre du Programme PREBAT – Démarche
MAYENERGIE PLUS pour Mayotte.
On trouvera chapitre 4 le résultats des mesures de pression sur les façades des bâtiments A et F,
chapitre 5 des photographies pour illustrer le fonctionnement de la ventilation naturelle.
A Paris, le 28 mai 2015
Benoit Blanchard
Gérant
Approche expérimentale en soufflerie de la ventilation naturelle du collège Bouéni
19
Jacques GANDEMER
Conseil
1 1 7 r ue d e l a M ai ri e
44240 Sucé sur Erdre
Tel : 0 9 5 4 3 3 3 9 5 7
M ob il e : 0 6 8 7 7 0 1 2 1 0
SIREN : 50 44 63 191
SIRET : 50 44 63 191 000 16
ja cq ue s . gan d eme r@ f r ee .f r
Sucé le 23 05 2015
Préconisations générales pour la ventilation
naturelle adaptée à Mayotte
Les enjeux et les objectifs de la ventilation naturelle
Les finalités de la ventilation naturelle sont multiples :
- Assurer la qualité de l’air hygiénique intérieur. Dans ce contexte (régit par la
réglementation) il est demandé des taux de renouvellement d’air de l’ordre d’un à deux
volumes/heure pour les salles de classe par exemple.
- Evacuer les charges thermiques intérieurs, telles que celles émises par les sources
chaudes (éclairage artificiel, ordinateurs etc. .., mais aussi les parois chaudes rayonnant à
l’intérieur, et les occupants).
Pour un bâtiment de conception thermique correcte, on constate physiquement qu’en
général les charges thermiques sont correctement évacuées (température intérieure
identique à celle à l’extérieur sous abri ventilé) pour des taux de renouvellement d’air de
l’ordre de 15 volumes/heure.
Note 1: Un bâtiment sera de conception thermique correcte s’il considère notamment les
différents paramètres suivants :
- couleurs extérieures claires ou réfléchissantes
- protection des ouvertures et baies du soleil directe au Nord (et si possible à l’Ouest et à
l’Est)
- bonne protection solaire en toiture (double toit ventilé ou isolation appropriée) et isolation
complémentaire en façades Ouest et Est
- matériaux à très faible émissivité (vers l’intérieur) etc. …
Note 2 : En termes d’évaluation des charges thermiques de « fonctionnement interne », le
corps humain représente une puissance variable en fonction de son activité, mais pour une
activité relativement statique on peut proposer 100W par occupant, et par ordinateur.
1
- Développer le confort thermique de l’occupant de manière totalement naturelle dans les
espaces intérieurs et les « couches de vie », en créant des vitesses d’irrigation suffisantes :
Pour des gammes de vitesses de balayage de l’air de 0.5 m/s à 1.5 m/s, (échanges accélérés
par convection forcée entre le corps humain et l’ambiance externe ), la température effective
ressentie par le corps humain est de 4°C inférieure à celle de l’ambiance thermique physique
(24°C par exemple alors que le thermomètre indique 28°C). Cette baisse de température peut
être augmentée avec la vitesse de l’air, mais on admet que pour V> 2.5m/s la gêne peut
commencer.
Si l’on traduit cette gamme de niveaux de vitesses de balayage internes (permettant
d’obtenir une température ressentie de -4° à -5°C) en taux de renouvellements d’air on
dépasse les 100 volumes/heure.
Note 3 : Ces écoulements internes débitants sont des écoulements fluctuant (turbulents). Ils
résultent d’écoulements équilibrage entre les ouvertures en façade et toitures qui ne sont
pas à la même pression. Le champ de pression externe moteur du mécanisme est lui-même
turbulent, et résulte de l’interaction du vent incident (fluctuant) et de la géométrie de
l’obstacle bâti et varie avec les incidences du vent.
- Développer le confort thermique de l’occupant en « assistant » la ventilation naturelle :
Lorsque
l’objectif
du
confort
thermique
en
ventilation
naturelle
ne
peut
être
atteint totalement :
- climatologie du site avec un « signal » vent trop réduit,
- environnement amont et/ou l’environnement immédiat trop marqués avec réduction
du vent et effets de masque sur la zone d’implantation du Projet,
- conceptions aérodynamiques externe et aérauliques internes pas suffisamment
développées et performantes pour pouvoir atteindre les niveaux de vitesses
intérieures d’irrigation recherchés,
alors, si (et seulement si), la conception aérodynamique globale permet d’atteindre des taux
de renouvellement d’air supérieurs à 15 volume /heure, le confort thermique pourra être
obtenu en utilisant des brasseurs d’air (adaptés et correctement répartis) qui assureront une
dynamique de brassage de 1m/s.
Note 4 : Dans ces dernières conditions les charges thermiques internes sont bien évacuées,
et les brasseurs d’air (vitesses réglables) créent les courants de convection nécessaires à
l’abaissement de plusieurs degrés de la température ressentie. Dans ces conditions le
confort sera alors semblable à celui obtenu précédemment avec « la meilleure conception
aérodynamique » autorisant des vitesses d’irrigation « naturelles » allant de 0.5 m/s à 2 m/s.
Note 5: Il est évident que lorsque la conception climatique de la construction traite le confort
thermique des espaces, les « contraintes » de décharge thermique et d’hygiène de l’air sont
largement résolues.
2
Méthodologie de développement de la ventilation naturelle
L’Architecture climatique considère globalement le vent, le soleil, la pluie, le végétal et l’eau,
et utilise ces potentiels climatiques naturels à des fins de contrôle et de développement du
confort thermique de l’usager. Cependant dans le développement en ventilation naturelle de
la construction, le vent représente évidemment le paramètre déterminant. Le présent
paragraphe renvoie directement au Guide appliqué à La Réunion et édité par L’ADEME « La
ventilation naturelle en pratique ».
Pour réussir une ventilation naturelle efficace dans un Projet, il est indispensable que :
- Le « signal » vent soit suffisant sur le site (exemple de critère : vitesse moyenne de 3 m/s à
10 m de hauteur sur le site dépassée pendant plus de 50% du temps). La force du vent,
fonction de la direction, est pondérée par le jeu des rugosités amonts (bâties et végétales),
et les effets topographiques. Un recalage climatique du site par rapport aux données de la
station météorologique doit être fait.
- L’environnement immédiat, qui interfère aérodynamiquement directement avec le projet
(effets de sillage, de masque etc.), soit pris en compte dans une approche globale (système
aérodynamique Projet dans son environnement immédiat).
- L’architecture externe, par sa géométrie et son organisation, permette une implantation et
un dimensionnement correct des transparences et ouïes d’admission d’air en façades.
En général 30% à 50% de porosité de façade sont nécessaire, avec un contrôle progressif
des ouvertures d’une part, et des extractions naturelles d’air en façade traversantes et /ou en
patios et puits dépressionnaires de toiture (surface globale équivalente à celle des entrées,
et insensibilité à la direction du vent, si une géométrie spécifique de l’ajutage de sortie en
toiture est adoptée) d’autre part. Le jeu des « outils » aérodynamique peut être complété par
l’implantation d’écope de grandes dimensions d’extraction et d’admissions d’air.
3
- L’architecture interne soit débitante, afin de permettre un transit libre et une fluidité des
écoulements : absence d’obstacles, de cloisons perpendiculaires aux flux traversant, avec
une surface de passage de l’air toujours supérieure à la transparence globale de celle de la
plus petite porosité des deux façades opposées. Ces écoulements traversants doivent
irriguer plus précisément les couches de vie et zones de séjours.
Précisons que l’efficacité d’une architecture climatique dépend directement de sa bonne sa
gestion :
- Les ouvrants sont à ouvertures progressives et ajustables (0% à 80%) pour des raisons de
protection contre la pluie (ou d’alerte cyclonique), pour réduire les entrées (frein aux
vitesses d’air trop élevées) lors de conditions de vent trop fort, mais surtout pour ajuster
(débit, vitesse, distribution) les flux internes d’irrigation pour développer et contrôler le
meilleur confort thermique de l’occupant.
- La ventilation naturelle de nuit (-4°C minimum par rapport au jour en saison chaude ) doit
être systématiquement considéré pour décharger les masses thermiques et permettre par
inertie le lendemain matin le rayonnement frais. Cette capacité d’échanges, d’accumulation
et de restitution (rayonnement), avec déphasage (temps type de réponse des systèmes
inertiels du bâtiment de 2 à 4 heures), demande pour bien fonctionner des taux de
renouvellement nocturnes moins élevés que ceux développés le jour ( 5 volumes /heure par
exemple peuvent suffire) . Mais si l’on veut bénéficier du dispositif, il faudra « garder le frais
nocturne » alors acquit (le minima extérieur est vers 4h du matin) et fermer alors tous les
ouvrants au lever du jour (température intérieure inférieure à la température extérieure).
Lorsqu’en cours de matinée la température intérieure atteindra les 26°C (thermomètre), il
faudra alors re-ouvrir les baies et jalousies pour que les écoulements naturels traversant
(débitant) développent par convection forcée une baisse de température ressentie.
- Remarque sur le rapport de force entre l’aérodynamique et le thermique comme moteur de
la ventilation naturelle :
L’effet de cheminée thermique, qui n’existe que si la température intérieure est supérieure à
la température extérieur, est un moteur faible de la ventilation en climat tropical humide (1,5
Pa pour une cheminée de 10m), car proportionnel à la petite différence de températures
entre l’intérieure et l’extérieure (3° grand maximu m en situation classique et hors effet de
serre) d’une part, et chute très vite dès que l’effet cheminée se met en mouvement (cheminée
ouverte et entrées d’air ouvertes, induction d’un mouvement d’air d’extraction et de
renouvellement d’air jusqu’au moment de l’égalisation des températures) d’autre part. En
comparaison le moteur aérodynamique, lié aux champs de pressions externes pressions
(potentialité de créer les écoulements internes de ventilation traversant de manière continue)
est continue lorsque le vent souffle un peu et est de 5 à 10 fois plus fort (10 Pa pour un vent
avec une vitesse de V>2.5 m/s, soit plus de 50% du temps sur l’ensemble des sites de La
Réunion par exemple).
4
En développement d’architecture aéro-climatique, on fera en sorte que le cheminement des
écoulements issus des moteurs aérodynamiques et thermique soient de même sens pour
cumuler les effets.
2- Application au travail de conception aéro –thermique à Mayotte
- La potentialité de ventilation naturelle du Site :
La stratégie de développements aéro-climatiques débute toujours par la qualification
climatique du site et l’évaluation de sa potentialité d’irrigation : directions et force des vents,
avec une prise en compte augmentée de l’importance pour la saison d’été.
La référence objective est la station météorologique de l’aéroport de DZAOUDZI qui indique
une bonne potentialité de ventilation à Mayotte : la vitesse des vents dépasse 2.5m/s à 10 m
de hauteur pendant 69% du temps. La grande majorité des flux est orientée autour du Sud –
Sud Est , mais les mois chauds les vents se positionnent plutôt au Nord Ouest et au Nord
Est.
Distribution annuelle
Décembre
Janvier
Il sera alors nécessaire de réaliser un recalage climatique théorique ou expérimental du site
d’implantation pour transposer les « données vents » de l’aéroport (prise en compte des
effets de rugosité du sol et de la mer, et des effets topographiques).
Le bilan de la potentialité de ventilation du site indexera et cadrera les objectifs et enjeu de la
ventilation naturelle dans le programme (voir paragraphe 1).
Précisons que le coté insulaire de Mayotte, lui donne l’atout sur l’existence des brises
thermiques à intégrer dans la réflexion climatique, et notamment celui les brises marines,
faibles (vitesses de 2m/s), mais fraiches. De même les brises thermiques de nuit peuvent
être une contribution à la décharge thermique nocturne par ventilation.
5
- La conception de l’organisation du bâti :
Le travail de conception aéro-thermique intègre impérativement la topographie du lieu,
l’existant bâti et l’environnement immédiat du Projet (Voir conseils pratiques « Guide
ventilation naturelle- Réunion »).
Dans le cadre d’un nouveau programme, l’organisation et la nature du plan masse et des
espaces intermédiaires sont la première phase d’étude aérodynamique de conception. Ainsi
la densité, la compacité, les regroupements et étalements, la tridimensionnalité du bâti et
son évolutivité dimensionnelle (transparence, hauteur, etc.), les échelles des espaces
intermédiaires minéraux ou végétaux, vont conditionner à terme les performances de la
ventilation naturelle. Dans ce système aérodynamique les géométries et formes propres au
bâti adopté, isolées (pavillons, semis, etc.) ou globalisées (barres, tours, architectures sur
pilotis, en U ou L, et en constructions regroupées autour de patios et puits collectifs, etc.)
sont aussi déterminantes.
Dans tous les cas l’objectif sera de construire un plan masse et des espaces intermédiaires
aussi « respirant» et irrigués que possible :
-
Implanter des masses bâties en quinconces, avec une orientation globale du plan
masse plutôt obliques par rapport aux vents dominants,
-
Sauvegarder des distances entres masses bâties (a) d’un minimum de 2 fois la
hauteur de la masse bâtie et de 3 fois en sillage (b), et avec globalement une
superficie équivalente entre le construit et les espaces intermédiaires,
-
Introduire, dans le sens du parcours du vent dominant au sein du plan masse, une
progression croissante des hauteurs bâties,
-
Développer le maximum d’ouvertures, de passages et de transparence (pilotis) au
niveau du rez de jardin avec des masses bâties en surélévation et tout
particulièrement celles en « bord d’attaque » du plan masse,
-
Créer un dessin de plan masse tridimensionnelle favorable aux brassages des flux,
et à la réduction des effets de sillage : brèches, pilotis, décrochement, quinconces,
alternance de hauteur et d’émergences, etc.
-
Utiliser les concepts de formes de masse bâties à patios (puits) central et en « U »
ouverts aux vents,
-
Végétaliser le maximum les espaces intermédiaires (effets thermiques bénéfiques
sur l’environnement
de la construction :
rayonnement, l’inertie, absorption,
évaporation, protection solaires, filtre, etc.).
Note 6 : La démarche de construction associera au point de vue aérodynamique ceux de
l’éclairage naturel et de la protection solaire.
6
En ce qui concerne l’effet topographique de pente, il doit être pris en compte :
-
En règle générale il faut éviter de construire en pied de pente ou de dénivelé marqué
(zone déventée même par vent de face), mais construire en pente courante (ou en
crête),
-
Les constructions sont implantées de manière étagée (en escalier sans contre
marche), elles ne sont pas inscrite dans la pente mais « sortent » et émergent au
maximum de la pente, avec si possible la partie en porte à faux sur pilotis,
-
Les pentes des toitures (mono pentes) sont plus marquées (30° à 45°) qu’en site
plutôt plat et inversées par rapport à celle de la pente topographique.
- La conception de l’architecture climatique extérieure
L’organisation du plan masse étant réalisée, la conception de l’architecture externe des
constructions doit développée :
-
Les ouvertures des façades sont plutôt orientées perpendiculairement aux vents
dominants,
-
L’implantation des entrées et sorties alimentant la ventilation intérieure, considèrant
le champ de pression externe (zones en dépression et en sur pression) induit par le
vent, et pré définissant les différences de pressions motrices des écoulements
interne d’irrigation,
-
Les perméabilités des façades, par module de pièce traversante, sont reparties la
plus homogène possible, et d’un minimum 30%, mais il est conseillé de viser 50% (ou
plus !), sachant qu’il y a toujours intérêt à ce que les porosités de la façade ‘’sous le
vent’’ supérieures (a minima égales) à celles ‘’au vent’’,
Note 7 : Il s’agit de perméabilité et de porosités effectives de passage d’air, et les natures
aérodynamiques de l’ouvrant, et l’existence des écrans pare-soleil, ne doivent pas réduire le
« passage libre de l’air » pris en compte dans la définition de la porosité.
-
Les ouvertures sont réglables de manière homogène et continue (exemple des
jalousies),
-
L’épaisseur des trames ‘’traversante’’ ne doit pas dépasser 10m,
-
L’existance d’ouvertures de pignon constitue un plus,
-
Les mono-pentes de toiture ont un faîtage du côté du sillage pour augmenter la
dépression de culot,
-
Les formes bâtis développant les concepts de puits et patios dépressionnaire (et
même de cheminées de ventilation, avec des émergences de 3m au dessus des
terrasses par exemple), conduisent à des architectures climatiques performantes,
peu sensibles à l’environnement et fonctionnant à l’extraction pour toutes les
directions de vents,
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Note 8 : La surface d’extraction d’un puits dépressionnaire ou d’un patio doit être au
minimum 20% supérieure à la somme des porosités qui débouchent dans le puits.
-
L’adoption d’écopes d’admission et d’extraction en toiture, largement dimensionnée,
constitue un outil aérodynamique très intéressant pour le développement de
l’irrigation traversante.
- La conception de l’architecture aéraulique interne
De manière directement associée à l’architecture externe, avec sa répartition des ouvertures
de parois et de toiture, l’aéraulique interne doit être correctement conçue :
Pour que des écoulements d’équilibrage internes (entre les ouvertures de parois, et avec un
sens de parcours toujours du +
-) puissent exister et irriguent les pièces, il faut que
l’écoulement soit débitant. Le transit intérieur doit donc être toujours possible, sans verrous
aérauliques, et avec une section de passage de l’air à l’intérieure toujours supérieure à la
transparence globale (%) de la plus petite porosité des deux façades opposées. Le
concepteur doit donc créer suffisamment des transparences, de cloisons mobiles,
d’impostes perméables, d’allèges ouvrantes, et éventuellement d’écrans à géométries
variables (ajustables en régime transitoire pour des raisons acoustiques par exemple), pour
permettre le transit homogène des écoulements traversants. Dans ce contexte l’organisation
aéraulique des cheminements de l’air, qui doit toujours irriguer les couches de vie, doit être
optimisée : Ainsi l’existence des rétrécissements de transparence, la linéarité des couloirs,
et même l’implantions des meubles sont à analyser dans l’optique d’un passage à fluidité
maximum de l’air.
- L’implantation de brasseurs d’air
Afin de palier les éventuels défiances de la dynamique des vents et brises, et afin d’affiner le
contrôle et l’optimisation du confort thermique, on implantera de manière appropriée dans
chaque pièce de vie des brasseurs d’air à vitesse variable (environ un brasseur de diamètre
D pour une surface de 10 DxD).
- Une ventilation naturelle gérée (de jour comme de nuit)
Il y aura toujours fort à gagner (abaissement inertiel de la température intérieure) en jouant
systématiquement avec la ventilation naturelle de nuit des espaces, en l’associant à une
gestion de bon sens des ouvertures et baies des façades (voir « ventilation de nuit »
paragraphe 1).
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4. Conclusion
En référence aux données climatiques, et plus particulièrement aux données vents,
la conception bioclimatique des constructions à Mayotte est non seulement
possible et recommandable énergétiquement, mais peut être développée de manière
fiable et efficace pour le contrôle et la gestion du confort thermique des usagers.
A partir d’une conception thermique correcte, et éventuellement après un zonage
thermique
approprié
(fonction
des
programmes
et
des
contraintes
de
fonctionnements), le confort thermique des espaces peut être obtenu en ventilation
naturelle, et ce pour la majorité des sites si la méthodologie précédemment évoquée
a bien été suivie, et si toutes les étapes ont bien été considérées (depuis le recalage
climatique qui fixe les enjeux, jusqu'à la gestion et le réglage volontaire et approprié
des ouvertures).
Précisons qu’il n’existe pas une solution standard, mais un ensemble « de principes
aérodynamique et aéraulique » qui permettront d’atteindre les objectifs en fonction
du cadre spécifique du programme (topographie, environnement, contraintes
d’urbanisme ou architecturales, nature du programme, etc.). Cependant, le plus tôt
est intégré la volonté d’une climatisation naturelle dans la définition et l’histoire de
la conception du Projet, plus le résultat sera performant. Tout comme la présence
nécessaire de spécialistes techniciens (fonction des problématiques spécifiques
des programmes) en thermique, en acoustique, en éclairage, etc. dans l’équipe
Projet, il faut intégrer une compétence en aérodynamique environnementale (phase
concours et ou APS).
De même avant la quantification des performances environnementales par le BET
(simulation dynamiques thermique, éclairement naturel, etc. ), il est bon d’avoir
« travaillé et optimisé aérodynamiquement et aérauliquement » le projet dans son
environnement sur maquette physique en soufflerie turbulente, afin d’avoir les
champs de vitesses internes effectifs de ventilation, et les champs de pressions
externes réalistes ( Phase APD).
Même si la conception en ventilation naturelle est admise, il faut avoir la motivation
de l’appliquée, et elle demande une sensible évolution de l’urbanisme et de
l’architecture (externe et interne). La conception bioclimatique n’est pas difficile en
soit, mais elle demande pour être réussie plus d’espace, des dimensionnements
augmentés (ouvertures, transparences etc.), et gestion responsable de son confort,
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ce qui suppose un léger changement culturel, et la volonté de faire évoluer l’acte de
construire et le rendre moins énergivore et plus environnemental. Il est donc
fortement
recommandé
d’accompagner
ces
programmes
bioclimatiques
pédagogiquement, d’impliquer les futurs utilisateurs et de leurs fournir (lors de la
livraison) une notice de bonne gestion en climatisation naturelle. Ce document
guide, qui intègrera l’inertie du bâtiment et la ventilation de nuit, pourra être
« ajusté » cependant après une période d’expérimentation des occupants (associée
à une enquête sur le confort ressenti), le succès final étant l’appropriation des
usagers et leurs responsabilisations vis-à-vis de la gestion de leurs propres confort
thermique.
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