5 conseils pour une meilleur conception de ventilation naturelle

La ventilation naturelle est le renouvellement de l’air dans les espaces intérieurs qui se produit sans systèmes mécaniques, en exploitant des phénomènes physiques naturels tels que l’effet vent et l’effet cheminée, essentiels pour garantir la salubrité et le confort thermique dans les bâtiments.

D’un point de vue technique, la ventilation naturelle repose sur trois principes clés : 

• effet vent : circulation d’air générée par le différentiel de pression entre les façades du bâtiment (au vent et sous le vent) ;
• effet cheminée : mouvement convectif ascendant qui pousse l’air chaud vers le haut, attirant de l’air frais par les ouvertures inférieures ;
• rapport aérant : rapport entre la surface des fenêtres ouvrables et la surface du sol.

Dans un bâtiment écologique et durable, et en l’absence de systèmes de VMC, la ventilation naturelle est essentielle pour limiter l’humidité, le CO₂ et les polluants, tout en réduisant les besoins énergétiques. Dans les paragraphes suivants, nous approfondirons son fonctionnement, ses principes de base et comment contrôler les renouvellements d’air lors de la conception thermique.

Qu’entend-on par ventilation naturelle ?

La ventilation naturelle n’est rien d’autre que le passage de l’air, induit par le vent, à travers l’enveloppe du bâtiment qui se produit en raison de la différence de température et de pression entre l’intérieur et l’extérieur des espaces.

Les échanges d’air qui se produisent améliorent la salubrité des environnements intérieurs, en luttant contre : 

• le taux d’humidité produit par le corps humain par la respiration et la chaleur corporelle ;
• le taux d’humidité produit par les vapeurs générées en cuisine et dans les salles de bains ;
• l’augmentation de la concentration de CO2 et d’autres substances polluantes telles que les bactéries, les poussières, la fumée, le radon, etc.

Le mouvement de l’air dans les espaces, en réintégrant de l’oxygène, améliore considérablement le bien-être des habitants, réduisant le risque d’inflammations des voies respiratoires, d’irritations cutanées et oculaires, de dommages aux voies respiratoires.

Quelle est la différence entre ventilation naturelle et mécanique ?

Comme le dit le terme lui-même, la ventilation naturelle repose sur la création de renouvellements d’air par l’entrée d’air neuf dans les locaux et la sortie de l’air vicié, riche en polluants et en éléments nocifs pour la santé.

Avec la ventilation naturelle des espaces, il est non seulement possible de maintenir ceux-ci plus salubres, mais il est également possible de garantir le bon niveau de température et d’humidité afin d’assurer un confort thermique adéquat pour les occupants.

Lorsque la ventilation naturelle des espaces n’est pas entièrement possible, il est nécessaire de recourir à des systèmes de ventilation mécanique contrôlée (VMC).

La ventilation naturelle est remplacée par un système qui extrait l’air usé (chaud et humide) et introduit de l’air renouvelé (frais, filtré et préchauffé) dans les espaces.

C’est un système aéraulique à double flux (air entrant et air sortant), avec récupération de chaleur, qui assure le renouvellement constant de l’air dans les espaces tout en minimisant la consommation d’énergie grâce à l’utilisation de conduits qui parcourent le bâtiment.

En intégrant à une VMC un système de déshumidification, il est possible de prévenir la formation d’humidité.

Architecture et ventilation naturelle : comment le design influence le flux d’air

Le design des espaces et des ouvertures influence le flux d’air naturel qui traverse le bâtiment, et pouvoir exploiter les forces naturelles, comme le vent et les différences de température, permet de réduire la consommation énergétique et l’impact environnemental.

Pour que la ventilation naturelle soit efficace, il est nécessaire de comprendre les principes physiques qui la régissent et les différentes typologies d’application. Les principes reposent sur les lois de la fluidodynamique et du transfert de chaleur, tandis que les types de ventilation dépendent du design architectural et de la position des ouvertures.

Voici les principaux principes et types de ventilation naturelle : 

Principes de la ventilation naturelle

1. Différence de pression (effet vent)
   • Le vent crée des zones de haute pression (au vent) et de basse pression (sous le vent).
   • En positionnant des ouvertures à des points stratégiques, un flux d’air naturel est créé.
2. Effet cheminée (tirage thermique)
   • L’air chaud, étant moins dense, a tendance à monter, tandis que l’air froid descend.
   • En créant des ouvertures en bas et en haut, on favorise la circulation de l’air.
3. Ventilation transversale (cross ventilation)
   • Elle se produit lorsque l’air entre d’un côté du bâtiment et sort du côté opposé.
   • Elle est favorisée par l’utilisation d’ouvertures sur des murs opposés ou à angle.
4. Ventilation induite par des différences de température (effet cheminée)
   • Si un bâtiment a des zones avec des températures différentes, un flux d’air naturel se génère.
   • Elle fonctionne bien dans des bâtiments avec des atriums internes ou des cheminées solaires.

Voyons ensemble les principales caractéristiques et les types de ventilation naturelle.

Types de ventilation naturelle

La ventilation naturelle peut être classée en différentes typologies en fonction de la manière dont l’air entre et sort du bâtiment. Le choix du type de ventilation dépend de la conception du bâtiment, de l’orientation par rapport aux vents dominants et des conditions climatiques locales.

• Ventilation unilatérale : elle se produit lorsque l’air entre et sort de la même façade. Elle est moins efficace par rapport à d’autres systèmes, car le renouvellement d’air est limité, mais peut être utile dans des pièces de petite taille ou avec de larges ouvertures.
• Ventilation transversale (cross ventilation) : elle exploite la différence de pression entre deux façades opposées ou à angle, permettant à l’air de traverser les espaces intérieurs. C’est l’une des méthodes les plus efficaces pour garantir un bon renouvellement d’air et est largement utilisée dans les bâtiments bioclimatiques.
• Ventilation verticale (effet cheminée) : elle repose sur le principe que l’air chaud a tendance à monter. Des ouvertures placées en bas permettent l’entrée d’air frais, tandis que celles en haut favorisent la sortie de l’air chaud. Ce système est très efficace dans des bâtiments avec des atriums, des lucarnes ou des cheminées solaires.
• Ventilation par des tours à vent : utilisée principalement dans les climats chauds et arides, elle exploite des structures verticales qui capturent le vent et le dirigent vers les espaces intérieurs. Elle peut être combinée avec des systèmes de refroidissement évaporatif pour améliorer l’efficacité du refroidissement.
• Ventilation contrôlée par des éléments architecturaux : elle inclut l’utilisation de dispositifs tels que des brise-soleil, des cheminées solaires et des surfaces réfléchissantes pour améliorer le mouvement de l’air et le confort thermique intérieur.

La combinaison de ces systèmes permet d’optimiser la ventilation naturelle en fonction des besoins spécifiques du bâtiment et du contexte climatique, réduisant ainsi la dépendance aux systèmes de climatisation mécanique.

Le tableau comparatif suivant résume les principales typologies de ventilation naturelle, en mettant en comparaison efficacité, mécanisme de fonctionnement et contextes d’application, pour soutenir les choix de conception lors de la phase de conception architecturale.

Comment fonctionne la ventilation naturelle : vent et effet cheminée

D’un point de vue physique, la ventilation naturelle dans les bâtiments repose principalement sur deux mécanismes fondamentaux : l’action du vent sur les façades et le mouvement convectif généré par les différences de température. Analysons ci-dessous le fonctionnement de la ventilation induite par le vent et de l’effet cheminée.

1. Ventilation induite par le vent

La ventilation induite par le vent est celle qui est obtenue par l’ouverture de portes et de fenêtres. Elle peut être : 

1. unilatérale, si les fenêtres sont ouvertes individuellement dans les différentes pièces, dans le but d’effectuer un rapide renouvellement d’air ;
2. croisée, si, en exploitant l’effet exercé par la pression du vent, l’air entre dans l’habitation par les ouvertures situées sur les murs à haute pression et sort par celles situées sur les murs à basse pression. En effet, un mur sera exposé à une pression plus élevée s’il est perpendiculaire à la direction des vents, tandis que le mur opposé sera soumis à une pression plus faible.

L’air qui est transporté lors des mouvements dépend cependant d’une série de facteurs : 

• vitesse du vent ;
• pression du vent ;
• taille des ouvertures ;
• positionnement des ouvertures.

Flux Unidirectionnel

Schéma de ventilation naturelle induite par le vent : flux transversal

2. Effet de cheminée

L’effet de cheminée est ce phénomène selon lequel l’air plus chaud et plus léger a tendance à monter vers le haut, tandis que l’air plus froid a tendance à être aspiré par le bas.

En effet, chaque bâtiment, en particulier les immeubles à plusieurs étages, fonctionne comme une cheminée : à l’intérieur de sa structure, un mouvement d’air se crée du bas vers le haut et plus la différence de température est grande, plus la vitesse du mouvement d’air sera élevée.

Pour créer l’effet de cheminée, il est bon de donner vie à un «conduit vertical» sans obstacles particuliers qui facilitent le flux vertical, c’est pourquoi il est opportun par exemple que : 

• dans un immeuble, essayer de positionner la cage d’escalier de manière centrale et la terminer avec des ouvertures situées au sommet du bâtiment afin de permettre ce processus naturel d’échange d’air ;
• dans une maison individuelle avec un grenier, insérer des fenêtres de toit, qui étant plus hautes que les ouvertures verticales, facilitent le renouvellement de l’air ;
• dans une maison individuelle sans grenier, positionner les ouvertures à des hauteurs différentes.

Les murs ventilés découlent précisément du principe de l’effet de cheminée : dans leurs interstices, des mouvements convectifs se créent garantissant le renouvellement de l’air et évitant la formation de condensation interstitielle.

Schéma effet de cheminée

Diagrammes de ventilation naturelle : interpréter les modèles de flux d’air

Que ce soit une ventilation générée par des différences de pression, des différences de températures ou par effet cheminée, dans chacun de ces cas, son étude repose sur l’analyse des diagrammes de ventilation naturelle, qui permettent d’interpréter les modèles de flux d’air.

En général, un obstacle dévie le vent de son écoulement rectiligne et l’oblige à suivre des lignes courbes, tant verticalement qu’horizontalement, autour de l’obstacle.

Les diagrammes du vent permettent d’analyser le comportement du vent et des surcharges et dépressions qu’il cause en fonction de la distribution des espaces, de la position des ouvertures et de la présence d’obstacles.

Cela peut être d’une grande aide pour optimiser la position des filtres et des ouvertures afin d’obtenir un refroidissement passif efficace des espaces intérieurs.

Diagrammes de ventilation naturelle

Avantages et inconvénients de la ventilation naturelle dans les bâtiments

La ventilation naturelle revêt une grande importance car une maison ventilée est une maison saine, exempte de substances polluantes telles que l’humidité et les vapeurs, et ne nuit pas à la santé des utilisateurs.

Apporter les bons échanges d’air dans l’environnement garantira des conditions hygiéniques et saines au niveau de la qualité de l’air et dissipera la chaleur excessive en évacuant l’inertie thermique, accumulée surtout en été.

Le mouvement de l’air dû aux pressions des vents permet d’obtenir une meilleure sensation de confort thermique tout au long de l’année.

Cependant, la ventilation naturelle, à elle seule, s’avère peu efficace dans les climats très chauds et en général avec des températures élevées.

De plus, la création de tourbillons et de courants d’air internes, capables de ventiler les espaces, nécessite une conception précise des espaces et un positionnement correct des ouvertures.

Ventilation naturelle dans les sous-sols : stratégies et défis

La ventilation du sous-sol est très importante pour garantir la salubrité de ces espaces qui, par leur nature, sont partiellement enterrés.

Pour donner vie à un système de ventilation naturelle dans les locaux de sous-sol, il est opportun d’insérer deux éléments fondamentaux : 

1. un élément d’apport d’air frais, qui peut être une fenêtre haute en contact direct avec l’extérieur ou une série de prises d’air ;
2. un conduit d’évacuation.

Ces deux éléments permettent de déclencher le soi-disant effet cheminée : l’espace du sous-sol est rempli d’air frais provenant de l’extérieur, qui entre par les prises d’air et les tuyaux, et le moyen d’évacuation est évacué par le conduit d’évacuation.

Vue en coupe avec schéma de ventilation naturelle d’un sous-sol

Donner vie à ce système de « ventilation naturelle » est certainement économique et facile à mettre en œuvre, toutefois il est fortement influencé par les températures extérieures et la qualité du renouvellement de l’air peut subir des variations soudaines de température ou de pression.

Il sera donc nécessaire, le cas échéant, de l’intégrer à un système de ventilation mécanique.

Comment concevoir un système de ventilation efficace : 5 règles

Garantir une bonne ventilation naturelle à l’intérieur d’un logement signifie contrôler et diriger les flux d’air de manière à assurer un refroidissement adéquat des espaces.

Pour ce faire, il est nécessaire d’évaluer les conditions environnementales et certains facteurs dès la phase de conception.

Pour assurer une ventilation naturelle correcte, il est important de prendre en compte les paramètres suivants : 

1. Évaluez la localisation et l’orientation du bâtiment : la localisation et l’orientation du bâtiment doivent être définies en fonction de la ventilation présente sur le site et des relations avec les constructions environnantes. Il est important d’augmenter les distances entre les bâtiments pour éviter les interférences avec les flux de vent et d’étudier les vents locaux, en identifiant les vents dominants, leur direction et leur vitesse moyenne. En général, les directions de vent dominantes sont le nord-est et le sud-ouest.
2. Concevez correctement la disposition des ouvertures : le nombre, la taille et la position des fenêtres influencent directement l’efficacité de la ventilation naturelle. Il est conseillé de disposer les ouvertures de manière diagonale pour favoriser la ventilation croisée, en plaçant de préférence les ouvertures d’entrée d’air à une cote inférieure par rapport à celles de sortie.
3. Organisez la disposition des espaces intérieurs : la distribution des pièces doit suivre la direction des flux d’air. Il est recommandé de placer les espaces de service, tels que cuisines et salles de bains, du côté sous-exposé au vent, et les chambres et espaces communs dans les zones sur-exposées, afin de favoriser l’expulsion de l’air vicié vers l’extérieur.
4. Analysez la topographie du terrain : la configuration du terrain influence la pression du vent : les terrains en dépression ou escarpés favorisent une diminution de la pression et peuvent réduire l’efficacité de la ventilation naturelle. Cet aspect doit être pris en compte dès la phase de conception.
5. Prenez en compte la saisonnalité et les systèmes de ventilation des fenêtres : la ventilation naturelle doit être maximale pendant les journées estivales pour disperser la chaleur accumulée. Le choix de fenêtres équipées de systèmes de ventilation permet également un recyclage de l’air constant et continu.

Suivre ces conseils utiles vous sera très utile pour développer un processus de conception optimal.