Dans les climats tropicaux chauds et même humides, il est possible d’obtenir des conditions de confort sans système de refroidissement d’air. La ventilation naturelle est la première méthode de refroidissement des locaux et la plus économique. La ventilation naturelle est aussi utilisée depuis des siècles dans l’architecture vernaculaire tropicale.

Qu’est-ce que la ventilation naturelle ?

La ventilation naturelle transcrit tout simplement un mouvement d’air causé par des phénomènes physiques naturels. Ainsi , les mouvements naturels d’air observés dans un bâtiment sont causés par deux phénomènes principaux :

  • Le tirage thermique induit par les différences de température entre surfaces, ou entre intérieur et extérieur (les forces de flottabilité).
Principes de cheminées thermiques dans le bâtiment avec (a) l’ouverture haute placée en façade et (b) l’ouverture haute placée horizontalement. Dans les deux cas une différence de pression au niveau des ouverturesengendre le mouvement de l’air dans la pièce
(JUHOOR, 2018)

Le principe du tirage thermique, repose sur la diminution de la masse volumique de l’air chaud qui devient plus léger que l’air ambiant. Ce mode de ventilation, dominé par les différences de température, peut être considéré comme très courant dans des grands espaces, tel que des atriums, des bâtiments industriels ou encore des amphithéâtres avec une grande hauteur sous plafond. Ces forces vont piloter la ventilation,au travers et au sein même d’une ambiance. La nature de la source de chaleur à l’intérieur d’une pièce permet de définir les différents modèles à considérer pour l’estimation de la ventilation naturelle dans le cas où seules les forces de flottabilité pilotent l’écoulement.L’air chaud connaît alors un mouvement ascendant dans la pièce. Ce tirage entraîne une différence de pression au niveau des ouvertures haute et basse. L’écoulement est sortant en partie haute et entrant en partie basse.

  • Le vent, qui crée une différence de pression généré entre les différentes faces du bâtiment et génèrent les courants d’air dits d’équilibrage.
Principes constructifs favorisant les différences de pressions dues au vent: (a) grandes ouvertures sur façades opposées (b) puits dépressionnaires (c) attrape vent ou «wind catcher» (JUHOOR, 2018)

Pour favoriser les forces dues au vent, le principe sera de mettre en place des éléments pouvant accroitre le différentiel de pression entre l’entrée et la sortie d’air. À titre d’exemple, une ventilation naturelle traversante avec deux ouvertures sur faces opposées permet, lorsque le vent souffle face à une des ouvertures, de créer un courant d’air dit «traversant» dans la pièce. Un autre exemple est celui de la cheminée, ou puits dépressionnaire, auquel s’ajoute l’exemple du wind catcher. Ces dispositifs peuvent aussi être combinés pour accroitre le potentiel de ventilation.

Quelles sont les interactions entre ces deux forces ?

Ces deux phénomènes, qui sont les moteurs du mouvement de l’air, peuvent agir en opposition ou en association suivant la position des ouvrants et la direction du vent.

Lorsque le vent est suffisamment fort à l’extérieur (plus de 2 m/s) les phénomènes de pression aérodynamique dominent, lorsque le vent est faible (moins de 0,2 m/s) et que la différence de température entre l’intérieur et l’extérieur est importante, les phénomènes de tirage thermique dominent. Entre les deux les effets peuvent être de niveau équivalent s’ajoutant ou s’opposant selon les cas. Lors d’un incendie, les températures peuvent êtres très élevées, et dans ce cas, le tirage thermique l’emporte sur des vitesses moyennes de vent.

Que doit-on évaluer lorsqu’on étudie la ventilation naturelle ?

Deux notions sont très importantes dans l’étude de la ventilation naturelle : La ventilation hygiénique liée au renouvellement de l’air, et la ventilation de confort, liée au courant d’air généré sur l’occupant afin de diminuer sa température ressentie. Ainsi, une même surface d’ouvrant dans un bâtiment pourra entrainer un renouvellement d’air important mais pas un confort thermique significatif suivant la répartition de ces surfaces poreuse. Confort thermique et renouvellement d’air ne sont pas forcément lié. C’est pourquoi les études d’ingénierie en ventilation naturelle doivent comporter aussi l’étude du cheminement des courants aérauliques dans les pièces cibles. Il est aussi important lorsque la ventilation naturelle est privilégiée d’étudier ses interactions avec d’autres phénomènes comme l’évacuation des fumées en cas d’incendie.

Comment voir l’invisible ?

Avez-vous déjà vu le mouvement de l’air à l’intérieur de votre maison ou de votre bureau ? Un bon test consiste à placer des bâtonnets d’encens le long de votre ouverture et à observer. Vous verrez alors que les mouvements d’air sont complexes car ils fluctuent beaucoup. C’est la raison pour laquelle, lorsqu’un bâtiment est naturellement ventilé, une expertise spécifique est nécessaire pour assurer, non seulement le confort thermique, mais aussi la sécurité incendie en termes d’extraction de la fumée…

Quelle est la place de la ventilation naturelle dans les bâtiments tropicaux ?

Dans l’architecture tropicale, les grandes ouvertures ainsi que leurs positions permettent d’utiliser les deux principaux phénomènes de ventilation naturelle. Par exemple, vous pouvez trouver des fenêtres avec une ouverture en partie supérieure afin d’utiliser le tirage thermique et une ouverture en partie inférieure pour permettre le flux induit par le vent sur l’occupant.

(JUHOOR, 2018)

Les jalousies sont également utilisées pour contrôler le flux de ventilation naturelle. Le recours à la ventilation naturelle permet aujourd’hui de faire des économies d’énergie significatives en diminuant voire en supprimant le recours à la climatisation. De plus, le contexte actuelle pousse de plus en plus à l’usage de la ventilation naturelle pur des question sanitaire.

Et vous quand est-ce que vous passez le cap ?

Pour en savoir plus :

Étude et modélisation d’écoulements en convection mixte : application au désenfumage naturel de bâtiments – Karim JUHOOR, 2018

Natural Ventilation of Buildings Theory Measurement and Design – David ETHERIDGE, 2012

Modélisation de la ventilation naturelle pour l’optimisation du rafraichissement passif des bâtiments – Louis STEPHAN, 2010