Méthodes d'évaluation monétaire de l'environnement et des ...
Chapitre 1 Les méthodes d'évaluation des débits de ...
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Chapitre 1
Les méthodes d'évaluation des débits de ventilation dans lebâtiment : potentialités et limites
1.0 - IntroductionIl existe différents outils permettant d'évaluer, au stade de la conception, les débits de ventilation
dans un bâtiment, en fonction des caractéristiques de l'enveloppe et des conditions climatiques. Le
degré de complexité et la précision de ces outils sont variables, tout comme les moyens nécessaires
à leur implantation. Dans ce chapitre nous recensons les outils de calcul des débits de ventilation
induits par les conditions thermiques et le vent dans le bâtiment, en faisant la distinction entre les
méthodes adaptées à la thermique d'hiver et celles adaptées à la thermique d'été. Nous examinons
l'apport des méthodes simples, c'est-à-dire peu coûteuses en ressources informatiques, avant
d'envisager en alternative le recours aux codes de champ.
1.1 - Les objectifs de la ventilationLa ventilation des locaux a un double objectif : le premier est de veiller à ce que l'air intérieur soit
de bonne qualité, en maintenant les polluants qu'il contient à des concentrations sans effet ou d'effet
limité sur la santé. Ceci est impératif pour le bien-être des occupants, mais aussi pour éviter toute
dégradation du bâti, pouvant être causée par exemple par un excès d'humidité. On peut en ce sens
parler de débits hygiéniques de ventilation. Ces conditions peuvent être réunies en assurant un
apport d'air neuf suffisant. Cette première préoccupation est surtout présente en saison froide où les
locaux sont peu ouverts sur l'extérieur. Dans le cas de la ventilation mécanique, les exigences
correspondantes sont fonction du type de local, c'est-à-dire du type de source susceptible d'être
présente, et varient fortement entre les locaux industriels, les locaux tertiaires et les bâtiments
d'habitation. Ainsi, la réglementation française requiert un débit de renouvellement d'air volontairede 18 m3/h par personne dans les collèges pour que des concentrations excessives en CO2 ne soient
pas atteintes.
Le second objectif de la ventilation des locaux est d'y maintenir des conditions de confort thermique
acceptables pour les occupants, essentiellement en saison chaude, grâce à un apport d'air neuf qui
rafraîchit directement les occupants, par échanges convectifs. Cet apport contribue également au
refroidissement des structures de l'enveloppe. Cette ventilation ne peut être efficace qu'à condition
de faire l'objet d'une stratégie réfléchie afin de s'assurer que l'air extérieur est effectivement plus
frais que l'air présent dans les locaux. Les débits en jeu sont ici nettement supérieurs aux simples
débits hygiéniques, et sont assurés par le biais d'ouvrants de dimensions bien plus importantes que
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les seules bouches d'entrée d'air, tels que les portes ou fenêtres, manoeuvrées par les occupants eux-
mêmes.
Les débits de ventilation résultent de l'action simultanée du vent, du tirage thermique et de la
ventilation mécanique, qui génèrent une distribution de pression dans le bâtiment et sur son
enveloppe.
1.2 - Méthodes simples d'évaluation des débits de ventilation en hiverEn saison froide, les portes et fenêtres situées en façade des bâtiments sont le plus souvent
maintenues fermées. De ce fait l'entrée d'air neuf dans le bâtiment se fait essentiellement par le biais
des bouches d'entrée d'air et des défauts d'étanchéité de l'enveloppe, sous l'action conjuguée du vent,
du tirage thermique et de la ventilation mécanique. Par ailleurs au sein du bâtiment, les mouvements
d'air entre pièces sont liés à la distribution de température et à la présence de bouches d'entrée ou
d'extraction de l'air. Nous examinons successivement comment peuvent être évalués les débits
d'infiltration et les débits d'air interzones.
1.2.1 - Méthodes empiriques d'évaluation des débits d'infiltration par les
défauts d'étanchéitéQuel que soit le degré d'étanchéité de l'enveloppe du bâtiment, celle-ci présente toujours des défauts
par lesquels des débits d'air parasites transitent vers l'intérieur du bâtiment. Ces défauts sont à la fois
répartis, tels que les fissures dans les murs, et localisés, tels que les défauts de liaison entre murs, les
fuites par les coffres de volets roulants, les menuiseries des portes et fenêtres, ... . A l'intérieur du
bâtiment, il existe également de tels orifices de petites dimensions par où circulent des débits
parasites même lorsque les portes entre les différentes pièces sont fermées. Outre les éventuelles
fissures dans les murs, il s'agit principalement des espaces sous et autour des portes, des orifices
électriques, des fuites au niveau des conduits traversant un mur. Le lecteur pourra trouver par
exemple dans (GADHILE, 1990) une classification de ces défauts. La principale caractéristique de
ces défauts, que l'on peut qualifier de petits orifices, est que les débits y transitant sont
unidirectionnels. Classiquement, le débit volumique d'air passant par un petit orifice peut être
exprimé par une relation du type :Qv = K(∆P) n
(1.1)
avec :Qv : débit volumique d'air (m3/h)
K : coefficient de perméabilité à l'air (m3/(h.Pan))
∆P : différence de pression de part et d'autre du défaut (Pa)
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n est un exposant caractéristique de l'écoulement, variant entre 0.5 pour un écoulement turbulent et
1 pour un écoulement laminaire. On fait très souvent l'hypothèse que les effets sur le champ de
pression du tirage thermique, du vent et de la ventilation mécanique se superposent. Dans ce cas, si
l'on considère les écoulements comme turbulents, il en résulte un débit total somme quadratique des
débits dûs à ces 3 contributions.
Des formules empiriques permettant d'estimer le renouvellement d'air dans le bâtiment dû aux
infiltrations en provenance de l'extérieur en fonction des conditions climatiques existent dans la
littérature. Elles sont obtenues par des techniques de régression sur un grand nombre de données
expérimentales, de façon à corréler les conditions climatiques en vent et en température au taux de
renouvellement d'air résultant.
Ainsi, plusieurs modèles ont été développées par l'ASHRAE :
• Un premier modèle simple (ASHRAE Fundamentals, 1981) permet d'estimer le renouvellement
d'air lié aux infiltrations :ACH = K
1+ K
2∆T + K
3U (1.2)
avec :
ACH taux de renouvellement d'air (volume par heure)
U vitesse du vent (en m/s)
∆T différence de température entre l'intérieur et l'extérieur (en °C)K1 , K2 et K3 sont des coefficients empiriques, fonction du degré d'étanchéité de l'enveloppe (élevé,
moyen ou faible). L'effet de la turbulence du vent est pris en compte par le biais du coefficient K1 .
Cette méthode est très globale puisqu'elle ne permet pas une description précise du degré de
perméabilité de l'enveloppe du bâtiment, ni même une description sommaire de sa géométrie.
L'orientation du vent par rapport au bâtiment n'est pas prise en compte. De plus, comme toutes les
corrélations issues de techniques de régression, ses résultats sont à considérer avec prudence dès
lors qu'ils s'appliquent à des types de bâtiments et des sites différents de ceux ayant permis d'établir
les lois.
• L'ASHRAE propose également une autre procédure simplifiée pour estimer le débit d'infiltration
moyen dans une habitation (ASHRAE Fundamentals, 1985) : des tables sont fournies, indiquant
pour différents types de composants (fenêtres, liaisons entre mur et plancher, ...) une estimation de
la surface de fuite correspondante. De cette façon, par sommation des contributions des différents
défauts de l'enveloppe, il est possible de déterminer la surface totale de fuite de l'enveloppe L , en
cm2. Cette valeur est à multiplier par le taux d'infiltration spécifique de l'édifice (taux de
renouvellement d'air par unité de surface de fuite) donné par :
Qv / L = K1' ∆T + K2
' U 2( )[ ]0.5 en m3.h-1.cm-2 (1.3)
avec :Qv : débit volumique de renouvellement d'air (m3/h)
L : surface de fuite équivalente (cm2)
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Dans cette expression, les coefficients K1' et K2' traduisant respectivement les effets thermiques et
les effets du vent, sont fonction simplement de la classe d'exposition au vent du bâtiment (qui
dépend du degré de protection du bâtiment vis-à-vis du vent) et de sa hauteur. L représente la
surface de fuite équivalente ("effective leakage area") du bâtiment, mesurée par des tests de
pressurisation. Il s'agit en fait de la surface de l'orifice parfait qui soumis à la même différence de
pression que le bâtiment réel donnerait lieu au même débit d'infiltration. Cette méthode est un peu
plus précise que la précédente puisqu'elle prend en compte le site, la géométrie du bâtiment (sa
hauteur) et permet une description plus détaillée de l'enveloppe et de ses défauts d'étanchéité.
Un modèle plus précis que les modèles de l'ASHRAE a été développé par le Lawrence Berkeley
Laboratory (LBL), de l'Université de Californie, à partir de tests de pressurisation sur des bâtiments
(MODERA et al., 1983; SHERMAN, 1980) . Selon l'ASHRAE, ce modèle est parmi les modèles
monozones celui qui donne les meilleurs résultats globaux. La loi empirique du modèle du LBL est
:Qv = L fs
2∆T + fw2U 2( )0.5
en m3/s (1.4)
avec :Qv : débit volumique d'air (m3/s)
L : surface équivalente de fuite (m2)
fs est un coefficient caractérisant le tirage thermique, et fw un coefficient caractérisant l'effet du
vent. Dans cette expression comme dans les précédentes, on fait l'hypothèse que les effets du vent et
du tirage thermique sur la pression se superposent, ce qui se traduit par un débit résultant somme
quadratique des débits dûs au vent et aux effets thermiques.Les coefficients fs et fw sont déterminés à partir :
- des caractéristiques du vent et du site, en particulier la vitesse du vent sur le site déduite des
conditions de vent météo en fonction de la classe du terrain (qui traduit le caractère plus ou moins
dégagé du site et sa rugosité), de la hauteur du bâtiment et de son degré de protection au vent;
- des conditions thermiques, en particulier des températures intérieures et extérieures, et de la
hauteur de tirage thermique généralement prise égale à la hauteur du bâtiment;
- des caractéristiques de l'enveloppe, en particulier la surface de fuite équivalente, connue grâce à
des tests de pressurisation, et plus précisément encore la répartition des fuites entre le plafond, le
plancher et les autres parois.
Bien que faisant appel à des théories relativement complexes, ce modèle peut être implanté sur un
ordinateur de bureau, et est donc à ce titre maniable. Cependant, la difficulté de son utilisation
réside essentiellement dans la détermination de la surface équivalente de fuite, L , et plus encore de
la répartition de ces fuites entre plafond et plancher.
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Conclusion
Les méthodes empiriques, bien que peu précises quant à la description de l'enveloppe du bâtiment,
permettent d'accéder à un ordre de grandeur des débits d'infiltration en provenance de l'extérieur.
Pour estimer les débits circulant entre pièces, il faut faire appel à d'autres méthodes.
1.2.2 - Codes en pressionCes codes permettent d'évaluer les mouvements d'air entre les différentes zones d'un bâtiment, ainsi
qu'entre le bâtiment et son environnement extérieur. Il existe des versions monozones, où le
bâtiment ne peut comporter qu'une seule zone, où température et pression sont supposées
homogènes. Il existe également des versions multizones, permettant de représenter des bâtiments
présentant des cloisons intérieures.
1.2.2.1. - Principe général
Le bâtiment est représenté sous forme d'un réseau de noeuds, chaque noeud représentant une zone
du bâtiment ou une condition d'ambiance extérieure.Chaque noeud du réseau est caractérisé par sa
pression et sa température (ou par son profil vertical de température en cas de stratification
thermique). Les cheminements possibles de l'air entre les différents noeuds sont représentés par des
connexions entre ces noeuds, correspondant aux fuites se produisant au travers des composants
aérauliques : portes et fenêtres ouvertes ou fermées, fissures dans les murs, entrées d'air, ... (figure
1.1).
Fig. 1.1. Exemple de description nodale d'un bâtiment bizone.
Un composant aéraulique est caractérisé par la relation entre le débit qui y transite et la différence
de pression de part et d'autre de ce composant (loi débit-pression). Les différents débits sont
calculés en écrivant l'équilibre massique en chacun des noeuds du réseau. Pour le noeudreprésentant la zone j, la conservation de la masse d'air s'écrit, si on note n
j' le nombre de défauts
d'étanchéité de cette zone :
ρi jQv,i j
i=1
n j '
∑ = 0 (1.5)
avec :
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Qv, ij: débit volumique transitant par le composant i de la zone j (m3/s)
ρ ij: densité de l'air transitant par le composant i de la zone j (kg/m3)
Classiquement, le débit passant par un composant i de la zone j est exprimé par une relation du type
:
Qv,i j = KijPei ,j − Pj
ni j
×Pei ,j
− Pj
Pei ,j− Pj
(1.6)
avec :Kij
: coefficient de perméabilité du composant i de la zone j (m3/(h. Pan))
Pj : pression dans la zone j (Pa)
Pei , j: pression dans la zone connectée à la zone j par le biais du défaut i (Pa)
ni j: exposant caractéristique de l'écoulement dans le composant aéraulique i de la zone j (-)
Le débit Qv, ij est positif si il correspond effectivement à un débit entrant dans la zone j, c'est à dire
si Pei , j > Pj . ni j
varie suivant les composants de 0.5, valeur correspondant à un écoulement
turbulent, à 1, qui correspond à un écoulement laminaire.
La conservation de la masse est vérifiée pour chacune des zones du bâtiment. La température, et
donc la densité de l'air dans chaque zone est connue, soit parce qu'elle est imposée, soit grâce au
couplage du code de simulation aéraulique avec un code de simulation thermique. Le système
d'équations à résoudre est donc non linéaire en fonction de la pression, les inconnues étant les
pressions dans chacune des zones du bâtiment. Un tel système peut être résolu par une méthode
numérique itérative, telle que la méthode de Newton-Raphson (CLARKE, 1985) .
1.2.2.2 - Prise en compte des infiltrations en provenance de l'extérieur
Les conditions aux limites sont définies aux noeuds de pression extérieurs au bâtiment, par le biais
des conditions extérieures en vent et en température. En particulier, la distribution de pression sur
les parois extérieures dépend de la vitesse et de la direction du vent, du degré d'exposition de la
paroi, et de son orientation par rapport au vent, ainsi que de la forme du bâtiment.
Le champ de pression induit par le vent sur l'enveloppe du bâtiment est exprimé sous la forme de
coefficients sans dimension, dits coefficients de pression. Pour une surface donnée, et pour une
incidence de vent donnée, le coefficient de pression est défini par :
Cp =Psurf
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ρUref2
(1.7)
où est Psurf est la pression surfacique, et Uref
la vitesse du vent à un niveau de référence
(généralement à la hauteur du bâtiment).
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Des tables donnant les valeurs du coefficient de pression pour différentes incidences de vent
existent, elles sont obtenues à partir de tests réalisés en soufflerie sur des modèles réduits de
bâtiments ou encore à partir de simulations numériques (GADHILE, 1990) , ou bien encore à partir
d'expérimentations en grandeur réelle sur un bâtiment particulier. Ainsi, dans le module aéraulique
du code ESP-r (CLARKE, 1985) , les coefficients de pression disponibles sont ceux proposés par
Liddament (1986), pour des bâtiments de faible hauteur, jusqu'à 3 étages. Le code COMIS
(FEUSTEL, RAYNER-HOOSON, 1990) possède un module de détermination des pressions
surfaciques dues au vent, prenant en compte un grand nombre de paramètres liés à l'environnement,
au bâtiment et aux conditions climatiques, à partir de l'analyse de données issues de tests en
soufflerie. Egalement, dans le cadre du programme de recherche européen Pascool, a été développé
un outil de calcul numérique, CPCALC+, à partir de l'analyse paramétrique des résultats de tests en
soufflerie, permettant d'évaluer les coefficients de pression en façade, pour différentes dimensions et
formes de bâtiments, ainsi que pour des conditions de vent et de site variables (GROSSO, 1996).
Enfin, l'ASHRAE propose des valeurs moyennes représentatives des coefficients de pression pour
des bâtiments de forme rectangulaire (ASHRAE Fundamentals, 1985) .
Un grand nombre de défauts d'étanchéité de l'enveloppe peut être décrit par une loi puissance telle
que l'équation (1.6), le coefficient de perméabilité et l'exposant de la loi étant définis par ailleurs, à
partir de bases de données. Une difficulté de l'estimation des débits d'infiltrations réside d'une part
dans la connaissance de ces lois, d'autre part et surtout dans l'estimation de la perméabilité de
l'enveloppe.
1.2.2.3 - Evaluation des débits transitant par les grandes ouvertures interzones
Les codes en pression peuvent évaluer les débits transitant par une grande ouverture verticale entre
2 zones de températures différentes. Ceci est possible grâce à certaines hypothèses simplificatrices,
que nous décrivons ici.
Considérons 2 zones adjacentes, zone 1 et zone 2, séparées par une grande ouverture (fig. 1.2).Chaque zone est caractérisée par sa température (T1 et T2) et sa pression ( P1 et P2). La hauteur de
l'ouverture est H , et sa largeur W . Les murs sont supposés être en équilibre thermique avec l'air
contenu dans chacune des zones (i.e. pas d'échanges thermiques entre mur et air) et les volumes sont
de plus supposés suffisamment grands pour que la vitesse de l'air soit nulle à une certaine distance
de l'ouverture (KHODR-MNEIMNE, 1990) .
L'écoulement entre les 2 zones peut être évalué grâce à une approche simplifiée s'appuyant sur les
hypothèses suivantes :
- régime stationnaire
- fluide non visqueux
- fluide incompressible
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- écoulement supposé principalement monodirectionnel et orthogonal au plan de l'ouverture (i.e.
lignes de courant horizontales).
Dans ces conditions, et moyennant l'approximation de Boussinesq (qui consiste à prendre en compte
les variations de densité uniquement dans les termes de gravité), les équations de Navier-Stokes se
simplifient suivant l'équation de Bernoulli, et on peut écrire le long d'une ligne de courant :
P +ρgz+ ρu2
2= cte (1.8)
Fig. 1.2. Description schématique de 2 zones thermiques séparées par une grande ouverture.
De là, la vitesse théorique du fluide dans l'ouverture peut être calculée par :
u(z) =2 P1(z) − P2(z)
ρ(1.9)
où ρ est la densité moyenne de l'air dans l'ouverture.
• Cas de 2 zones isothermes
Brown et Solvason (BROWN, SOLVASON, 1962) aboutissent à l'expression suivante de la
vitesse, en notant z la hauteur au-dessus de la base de l'ouverture :
u(z) = 2g∆ρρ
z = 2g∆T
Tmoy
z (1.10)
A partir de là, le débit massique à travers l'ouverture est donné par :
Qm = Cd ρWu(z)dz0
Zn
∫ (1.11)
où Zn est la position de l'axe neutre, où la différence de pression entre les 2 zones s'annule. Si on
fait l'hypothèse d'un axe neutre situé à mi-hauteur de l'ouverture, on obtient pour le débit massique :
Qm
=C
dW
3ρ gH3∆T / T
moy(1.12)
Dans le cas général, l'axe neutre n'est pas situé à mi-hauteur, et sa position est calculée en écrivant
l'équilibre massique des zones.
Cockcroft propose pour le débit d’air à travers l’ouverture une expression beaucoup plus complexe
(CLARKE, 1985) :Qv = (2 / 3)CdWH(2 / ρ )1/ 2(Ca
3/ 2 − Cb3/ 2) / Ct[ ] (1.13)
avec :
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Ca = (1− rp)Ct + (P1 − P2)
Cb = (P1 − P2) − rpCt
Ct= (ρgh / R)(1 / T2
−1 / T1)
et :Qv : débit volumique de renouvellement d'air (m3/s)
T1,T2 : températures absolues (K)
P1, P2 : pressions (Pa) de part et d’autre de l’ouverture
R : constante des gaz parfaits
rp =Hp
H où Hp est la hauteur des noeuds de référence de part et d'autre de l'ouverture.
L’expression de Qv comporte une partie réelle et une partie imaginaire, correspondant aux flux dans
l’un et l’autre sens. On voit que dans le cas où les 2 zones sont à la même température, l'expression
du débit n'est pas définie, et on se ramène généralement à une loi du type (1.6).
• Cas de zones anisothermes
Dans le cas où les zones sont anisothermes, on peut également avoir recours à l'expression (1.9) de
la vitesse dans l'ouverture avec pour chacune des zones :
Pi (z) = Pi (0)− ρi0
z
∫ (z)gdz (1.14)
La densité de l'air peut être calculée par (HILL et al., 1986)ρi (z) = ρi (0) − ρβ (Ti (y) − Ti (0)) (1.15)
Dans le cas où les profils de température sont linéaires dans les 2 zones, alors on peut écrire :Ti (z) = Ti (0) + bi z (1.16)
et la vitesse théorique dans l'ouverture devient :
u(z) =2
ρmoy
(P1(0)− P2(0))+ 2βg (T1(0) − T2(0))z+ (b1 − b2)z2
2
(1.17)
La hauteur pour laquelle cette vitesse est nulle définit la position de l'axe neutre. L'intégration du
profil de vitesse permet d'accéder aux débits transitant par l'ouverture.
Dans le cas où les distributions de températures sont non linéaires, il est possible de modifier le
modèle isotherme en découpant le volume de chaque zone en tranches horizontales supposées
chacune isothermes, et en reprenant pour chacune d’elles la démarche exposée pour des zones
isothermes (HILL, MAHAJAN, 1986).
Lorsqu'en plus de la différence de température entre les 2 zones, il existe une entrée d'air forcée
dans l'une des zones, l'approche simplifiée exposée jusqu'ici n'est plus valable en l'état, et doit être
corrigée pour tenir compte dans l'une des zones d'une pression additionnelle (LIDWELL, 1977;
SHAW, WHYTE, 1974) .
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Notion de coefficient de déchargePour évaluer le débit d'air à travers l'ouverture, on introduit un coefficient de décharge Cd qui
permet de relier le modèle idéalisé de Bernoulli à la réalité, en tenant compte notamment de l'effet
de la viscosité du fluide, et du caractère tridimensionnel de l'écoulement. Le coefficient de décharge
caractérise la contraction locale de l’écoulement liée à la présence d’une ouverture; il est fonction
et des caractéristiques du fluide, et de la forme de l’ouverture, et sa détermination estproblématique. Les études réalisées estiment la gamme de variation de Cd de 0.61, valeur théorique
pour un orifice parfait à bords anguleux et pour un fluide parfait non visqueux, à 0.98 pour un
orifice à bords lisses. Certains travaux expérimentaux ont relevé des valeurs en deçà de cettefourchette (MAHAJAN, HILL, 1987) . En particulier, Cd varie avec les conditions thermiques de
part et d'autre de l'ouverture (AMARA et al., 1994; KIEL, WILSON, 1986) , et peut également
dépendre de l'altitude du point de l'ouverture considéré. Le type d’ouverture, ainsi que l'épaisseur de
la cloison séparatrice par rapport à la hauteur de l'ouverture peuvent aussi être déterminants
(MAHAJAN, 1986; MAHAJAN, 1987a; MAHAJAN, 1987b; MAHAJAN, HILL, 1986;
MAHAJAN, HILL, 1987) .
1.2.2.4 - Conclusion
Les codes en pression permettent d'évaluer de façon satisfaisante les débits d'infiltration en
provenance de l'extérieur, ainsi que les débits entre pièces. L'intégration dans ces outils de nouveaux
modules permettant d'évaluer d'une part les coefficients de pression en façade, d'autre part les
coefficients de décharge des grandes ouvertures intérieures, est de nature à améliorer la qualité de
leur prédiction en configuration hivernale.
1.3 - Méthodes simples d'évaluation des débits de ventilation naturelle
en étéEn saison chaude, les occupants sont couramment amenés à ouvrir portes et fenêtres donnant sur
l'extérieur pour rafraichir les locaux. Les débits de ventilation transitant par ces grandes ouvertures
sont alors sans commune mesure avec les débits en jeu en saison froide.
Les phénomènes en jeu sont différents suivant le nombre et la position des ouvertures en façade.
Dans le cas où le local considéré comporte une seule ouverture sur l'extérieur, on peut parler de
ventilation simple, ou de simple exposition. C'est là une situation assez fréquente, en particulier
dans le cas de bureaux ou de salles de classe dont les accès côté couloir sont fermés pour des raisons
de bruit ou d'intimité. Les occupants peuvent être amenés à ouvrir une fenêtre pour évacuer des
polluants (fumée de cigarette par exemple), pour éliminer des odeurs désagréables (par exemple
dans le cas d'une salle de classe après plusieurs heures de cours consécutives) ou encore pour
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rafraîchir le local en été, parfois aussi en hiver si la pièce est surchauffée. Dans le cas où le local
comporte plusieurs ouvertures donnant sur l'extérieur, situées sur des façades opposées, on parle de
ventilation traversante, ou de double exposition. La ventilation traversante constitue une technique
de climatisation passive fréquemment employée en climat chaud de façon traditionnelle. En
ventilation simple comme en ventilation traversante, deux facteurs principaux contribuent au
renouvellement d'air dans la pièce : l'effet du vent, et les effets thermiques. Le nombre de Reynolds
caractérise l'effet du vent, et détermine le régime d'écoulement. Généralement, les effets du vent et
les effets thermiques sont combinés. C'est la donnée du nombre d'Archimède de l'écoulement qui
indique la part relative des 2 phénomènes.
Dans ce qui suit, nous nous intéressons successivement aux effets du vent et aux effets thermiques
sur la ventilation naturelle d'un local par une ou deux grandes ouvertures, avant de considérer ces 2
effets simultanément.
1.3.1 - Effets du ventLe vent contribue au renouvellement d'air dans le bâtiment par ventilation naturelle de 2 façons :
d'une part par ses effets moyens, qui se traduisent par une différence de pression moyenne de part et
d'autre de l'enveloppe du bâtiment, et d'autre part par ses effets turbulents. Dans ces effets
turbulents, on peut encore distinguer, comme illustré sur la figure 1.3, les fluctuations de pression
liées à la turbulence du vent, qui créent des échanges massiques par pulsation, et la diffusion
turbulente à l'interface entre l'écoulement extérieur et la cavité.
Fig. 1.3. Ecoulement par tourbillons et écoulement par pulsations
(d'après (HAGHIGHAT et al., 1991) ).
Avant d'examiner la part relative de ces différentes contributions, qui diffère selon que le local
considéré comporte une seule ouverture, ou 2 ouvertures en vis-à-vis, nous recensons différentes
caractéristiques du vent.
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1.3.1.1 - Caractéristiques du vent
Le vent peut être décrit par la notion de couche limite atmosphérique, qui se décompose en 3 sous-
couches (CERMAK, 1975; VILAGINES, 1988) :
- la couche extérieure, d'une épaisseur de l'ordre du kilomètre
- la couche limite de surface, d'une épaisseur de 10 à 100 m. Elle représente environ 10 % de
l'épaisseur de la couche limite atmosphérique. Elle est le lieu de gradients importants de la vitesse
du vent, de la température. La direction du vent y reste relativement constante avec la hauteur.
- la sous-couche rugueuse, d'une épaisseur de l'ordre de quelques mètres. Les écoulements y ont une
structure tridimensionnelle, désordonnée, très affectée par les obstacles.
1.3.1.1.1 - Caractéristiques moyennes du vent
L'intensité du vent est représentée par sa vitesse moyenne. Dans les stations météorologiques
françaises, la vitesse du vent est moyennée toutes les 10 mn, et conformément à la norme
internationale, elle est mesurée à 10 m au-dessus du sol. Le vent est également caractérisé par sa
direction, qui est celle de sa composante horizontale.
Sur toute l'épaisseur de la couche limite atmosphérique, la vitesse du vent augmente à mesure qu'on
s'éloigne du sol. Différentes lois existent pour représenter le profil vertical de la vitesse horizontale
moyenne du vent. Principalement on distingue 2 grands types de lois :
- la loi logarithmique
Elle est issue de la théorie de Prandtl et Von Karman sur la couche limite développée sur une
plaque plane (COUNIHAN, 1975) . Pour des surfaces planes de grande étendue, de rugosité,
flux et température surfaciques uniformes, on considère les grandeurs de l'écoulement comme
homogènes dans des plans parallèles au sol. On fait l'hypothèse d'un écoulement pleinement
turbulent, avec un transport par déplacement moléculaire négligeable dans le sens transversal.
On suppose également que l'état de stabilité thermique n'est pas loin de la neutralité
thermique. Dans ces conditions, pour un problème isotherme, la loi se ramène, si on note z
l'altitude au-dessus du sol, à :
U(z) = U*
κln
z
z0
(1.18)
avec
κ : constante de von KarmanU* : vitesse de frottement au niveau du sol définie par τ0 = ρU*
2 , où τ0 est la contrainte de
cisaillement au sol [m/s]µ : viscosité dynamique de l'air [kg/m.s]
z0 : coefficient rugosité [m]
Le coefficient de rugosité z0 ne dépend que de la rugosité du sol (hauteur, densité et
distribution des obstacles) mais est différent de la hauteur géométrique de celle-ci (tableau
1.1).
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Catégorie Nature du terrain z0 (m)
I Grande étendue d'eau (mer,
océan, lac), plan recouvert
de neige, désert plan, ...
10-5 à 10-2
II Zones de prairies plates à
herbe rase, obstacles très
isolés
0.01 à 0.05
III Rase campagne plate ou
légèrement ondulée avec
des obstacles épars
(maisons, arbres, haies).
Cultures basses
0.05 à 0.1
IV Campagne avec des
cultures élevées, haies,
habitat dispersé
0.1 à 0.3
V Bocage dense, verger, petit
bois, banlieue pavillonnaire
0.3 à 0.5
VI Zones urbaines, bois et
forêts
0.5 à 1.5
Tableau 1.1. Classes de rugosité.
- la loi puissance
C'est une loi adimensionnelle empirique, représentative de l'écoulement du vent dans
l'ensemble de la couche limite atmosphérique. Elle caractérise surtout les vents forts, et s'écrit
:
U1
U2
= z1
z2
a
(1.19)
où U1 et U
2 sont les vitesses horizontales moyennes du vent aux altitudes respectives z
1 et z
2.
a est un paramètre lié à la rugosité du sol, pouvant être estimé par (COUNIHAN, 1975) :a = 0.096logz0
+ 0.016(logz0)2 + 0.24 (1.20)
La loi puissance est très souvent écrite en prenant comme référence la vitesse du vent
géostrophique :
U(z)
Ug
=z
zg
1/n
(1.21)
où zg représente l'épaisseur de la couche limite atmosphérique et Ug la vitesse horizontale
moyenne du vent à l'altitude correspondante. Cermak (CERMAK, 1975) rapporte les travaux
de Davenport pour obtenir les paramètres de la loi puissance par l'analyse de données en vent
41
correspondant à différents sites. Davenport a ainsi établi les variations de zg et de n avec la
rugosité pour les vents forts (figure 1.4).
Fig. 1.4. Paramètres de la loi puissance pour des vents forts et pour différentes rugosités de sol,
établis par Davenport (d'après (CERMAK, 1975) ).
1.3.1.1.2 - Caractéristiques turbulentes du vent
L'intensité de turbulence du vent se définit pour la composante longitudinale par I =u
x' 2
Ux
, et de
façon analogue pour les autres composantes. L'intensité de turbulence du vent est une
caractéristique du site d'observation, fonction croissante de la rugosité, et décroissante de la hauteur.
Diverses lois sont proposées, la plus courante étant la suivante (GADHILE, 1990; VILAGINES,
1988) :I = 1 / ln(z/ z0) z0
≤ 0.2 m (1.22)
Pour des rugosités plus élevées, on peut adopter l'expression suivante (COUNIHAN, 1975;
VILAGINES, 1988) :
I =
0.78− 0.14lnz0
ln(z / z0)
, 0.2≤ z0
≤ 2.5m (1.23)
La turbulence atmosphérique est anisotrope. En effet, si on note σu
= ux '2 ,σv
= uy'2 ,σw
= uz'2 ,
alors on a :σv
σu
= 0.8,σ w
σu
= 0.5. (1.24)
42
1.3.1.2 - Ventilation naturelle d'un local par une grande ouverture en simple
exposition
Dans le cas où le local comporte une seule grande ouverture donnant sur l'extérieur, le
renouvellement d'air dans le local est principalement dû, en dehors des effets thermiques, aux
fluctuations de pression et à la diffusion turbulente causées par le vent. Les différences de pression
moyennes engendrées par le vent ne sont un moteur important que si le local comporte plus d'une
ouverture (WARREN, PARKINS, 1985) .
1.3.1.2.1 - Evaluation des débits de ventilation dûs au vent à partir d'expérimentations
Diverses études expérimentales ont cherché à relier le renouvellement d'air dans un local ouvert sur
l'extérieur aux conditions moyennes de vent. Crommelin et Vrins (CROMMELIN, VRINS, 1988)
ont étudié cette question à l'aide d'un modèle réduit cubique en soufflerie, pour des vitesses de vent
allant de 0 à 10 m/s, et pour une incidence de vent parallèle au plan de l'ouverture. Ils ont établi descorrélations entre le débit volumique de ventilation Qv
et la vitesse du vent : ces corrélations sont
différentes selon la longueur de façade en amont de l'ouverture :Qv
= 0.58U0.64 pour une longueur amont de façade de 0.35 m
Qv= 0. 48U 0.74 pour une longueur amont de façade de 0.65 m
(1.25)
où le débit est exprimé en dm3/s et la vitesse du vent en m/s.
Ce résultat s'explique par le fait que le débit de renouvellement d'air est d'autant plus important que
l'ouverture se trouve située dans une zone de forte turbulence sur la façade. De même, la rugosité de
la façade si elle est importante peut engendrer des tourbillons qui influencent les échanges entre le
local et son environnement extérieur par l'ouverture. La position de l'ouverture dans la façade, et
l'état de surface de celle-ci, sont donc déterminants.
Le renouvellement d'air induit par le vent est également fonction de la géométrie de l'ouverture.
Crommelin et Vrins proposent la corrélation suivante entre le débit volumique de ventilation et la
superficie de l'ouverture, pour une vitesse de vent de 3 m/s :Qv = 60.8A0.92
(1.26)
où le débit est donné en dm3/s, et la surface de l'ouverture en m2. D'après leurs travaux, la forme de
l'ouverture, en particulier le rapport de sa hauteur à sa largeur, semble être sans effet.
Warren (WARREN, 1986) , à partir de mesures in situ à l'aide de gaz traceurs sur 2 bâtiments ,
propose une formule simple pour estimer l'ordre de grandeur du débit volumique de renouvellement
d'air dû au vent :Q
v= 0.025AU
ref (1.27)
où la vitesse du vent est mesurée à la hauteur du bâtiment. Cette expression constitue en fait une
valeur minimale à prendre en compte pour une première évaluation des phénomènes en jeu, et doit
être corrigée en fonction notamment de l'orientation du vent. L'écart avec les corrélations proposées
par Crommelin et Vrins peut peut-être s'expliquer par des effets d'échelle inévitables dans le cas
d'expérimentations sur modèle réduit, ainsi que par le choix du vent de référence, ou encore par
43
l'effet de l'orientation du vent par rapport à l'ouverture. Toutefois, les ordres de grandeur du débit de
ventilation pour ces différentes études restent les mêmes.
Warren propose par ailleurs une évaluation de la contribution de la diffusion turbulente seule : si on
considère que l'ouverture est de dimensions suffisamment petites par rapport à celles du bâtiment,
on peut faire l'hypothèse que l'écoulement dans cette région est bidimensionnel. Si de plus on
néglige la turbulence, alors les phénomènes ayant lieu peuvent être décrits par le biais d'une couche
de mélange bidimensionnelle s'étendant sur toute la largeur de l'ouverture (WARREN, PARKINS,1985) , telle qu'illustrée sur la figure 1.5. Si on note FL le coefficient local de renouvellement d'air
défini par :
FL = Qv
AUL
(1.28)
alors FL=0.013 est une bonne estimation de la contribution de la diffusion turbulente seule. En fait,
il s'agit là encore plutôt d'une valeur minimale, qui doit être augmentée pour tenir compte du degré
de turbulence de l'écoulement, ainsi que de son caractère tridimensionnel en réalité (WARREN,
PARKINS, 1985) .
Fig. 1.5. Représentation schématique d'une couche de mélange turbulente bidimensionnelle
(d'après (WARREN, PARKINS, 1985) ).
Le débit de ventilation induit par le vent dépend également de son angle d'attaque par rapport au
plan de l'ouverture. Il faut d'ailleurs noter que selon l'angle d'incidence du vent, la part relative du
renouvellement d'air par diffusion turbulente et du renouvellement par pulsations de pression
diffère. Divers auteurs (CROMMELIN, VRINS, 1988; WARREN, PARKINS, 1985) ont observé
un renouvellement d'air maximum lorsque le vent souffle parallèlement à l'ouverture, et minimum
quand celle-ci se trouve sous le vent. Si le vent souffle face à l'ouverture, Crommelin et Vrins ont
observé un maximum local du débit de ventilation pour un angle de 75 ° entre l'ouverture et le vent.
1.3.1.2.2 - Modèles d'évaluation de la contribution des fluctuations de la pression
Dans la région de l'ouverture, les variations de la pression extérieure causent des variations de la
pression intérieure. Si l'espace est étanche (hormis l'ouverture), ceci induira des variations de ladensité de l'air dans l'enceinte autour de la valeur moyenne ρ0 . Si on fait l'hypothèse que le
phénomène est adiabatique, le débit massique net par l'ouverture peut être représenté par
(RIBERON, VILLAIN, 1991; WARREN, 1978) :
44
qm,net =V
γrTint
dPint
dt(1.29)
où :
γ =cp
cv
, rapport des 2 chaleurs spécifiques de l'air [-]
V : volume de la cavité [m3]
r : constante des gaz parfaits rapportée à la masse molaire, pour l'air r =287 J/kg.K
Ceci peut également s'écrire :
qm,net
=Vρ
0
Pint
γdP
int
dt(1.30)
De là, en admettant que l'air entrant dans le volume se mélange parfaitement avec l'air présent, l'air
sortant étant de l'air vicié, et en négligeant les effets de l'inertie, Warren (WARREN, 1978) aboutit
à l'expression suivante du débit volumique à travers l'ouverture :
Qv,pulps
=2Vc
pρ
0
γP0
kpU
T
3 (1.31)
Dans cette expression, la fréquence de variation de la pression est prise égale à la fréquence de picdu spectre de la pression, np , et le nombre d'onde du vent est kp = np UT , UT étant la vitesse du
vent dans l'écoulement libre à la hauteur du toit du bâtiment. Cette formulation est en opposition
avec le résultat des expérimentations réalisées par Cockroft et Robertson (COCKROFT,
ROBERTSON, 1976) sur un modèle réduit cubique, qui révèlent que le débit volumique de
renouvellement d'air induit par les fluctuations du vent est pratiquement proportionnel à la vitesse
du vent dans l'écoulement libre, et est aussi fonction de la section de l'ouverture. Parallèlement à
leurs travaux expérimentaux, Cockroft et Robertson ont élaboré un modèle théorique pour évaluer
le renouvellement d'air à travers l'ouverture dû aux fluctuations de la pression extérieure, en se
concentrant sur les pulsations à basse fréquence qui sont les plus porteuses d'énergie turbulente.
Malgré les simplifications et hypothèses auxquelles ils ont eu recours, ils ont observé un bon accord
de leur modèle et de leurs résultats expérimentaux sur modèle réduit cubique .
Riberon, associé à d'autres chercheurs (RIBERON et al., 1990; RIBERON, VILLAIN, 1991) , a
conduit des recherches similaires à partir de résultats expérimentaux dans une maison en site réel,
pour de petites ouvertures (100 à 200 cm2). Son modèle, reposant également sur l'équation (1.29) de
conservation de la masse d'air, permet de prédire de façon assez satisfaisante les fluctuations de la
pression dans le local.
Haghighat et al. (HAGHIGHAT et al., 1991) proposent un modèle basé sur une technique d'analyse
spectrale. Ils déduisent l'influence de différents paramètres géométriques sur le débit volumique dû
aux pulsations du vent : ce débit est proportionnel à la surface de l'ouverture à la puissance 0.55,
ainsi qu'au volume de l'enceinte à la puissance 0.3. La profondeur de l'ouverture est également
importante, puisque le renouvellement d'air lié aux pulsations du vent diminue quand elle augmente.
Enfin, le lien entre le débit de ventilation et la vitesse du vent diffère des résultats de Warren, ou de
45
Cockroft et Robertson, puisqu'ils obtiennent un débit volumique d'air à travers l'ouvertureproportionnel à U10
1. 7.
1.3.1.3 - Ventilation naturelle d'un local par une grande ouverture en double
exposition : modèles simplifiés
Dans le cas de 2 ouvertures situées sur 2 murs opposés d'une cellule, le débit transitant peut être
estimé par :Qv
= Cd A 2∆P / ρ (1.32)où Cd représente le coefficient de décharge de l'ouverture considérée, et ∆P la différence de
pression de part et d'autre de l'ouverture. A est la surface de l'ouverture, dans l'hypothèse où les 2
ouvertures sont identiques. Si les ouvertures sont différentes, ce débit peut également être estimé de
façon globale en écrivant l'expression précédente pour chaque ouverture, et en prenant en compte la
différence de pression d'une façade à l'autre. On obtient ainsi (SWAMI, CHANDRA, 1988) :
Qv = AeUrefCd ∆Cp( )1
2 (1.33)
où :A1, A2 : surfaces des ouvertures [m2]
Ae : surface d'ouverture équivalente : Ae = A1A2 A12 + A2
2( )1/ 2 [m2]
∆Cp : différence entre les coefficients de pression sur l'une et l'autre façade [-]
Uref
: vitesse du vent sur le site à la hauteur de référence [m/s]
Ainsley (AINSLEY, 1988) propose une expression encore plus générale avec un coefficient de
décharge différent pour chaque ouverture :
Qv =Cp1 − Cp2( )Uref
2
1A1
2Cd12
+ 1A2
2Cd22
0.5
, (1.34)
expression qui donne le même résultat que la précédente si on considère que les 2 ouvertures ont le
même coefficient de décharge.
Murakami et al (MURAKAMI et al., 1991) soulignent que cette méthode conventionnelle, basée
sur une représentation monodimensionnelle de l'écoulement et l'écriture de l'équation de Bernoulli,
n'est en fait pas satisfaisante et manque de précision compte tenu de la nature tridimensionnelle et
turbulente d'un écoulement de ventilation traversante par des grandes ouvertures. Leurs travaux ont
montré que l'écoulement à travers la fenêtre située face au vent conserve une grande partie de son
énergie cinétique en entrant à l'intérieur du local, et qu'une grande partie de cette énergie est elle-
même transportée à l'extérieur par l'ouverture sous le vent.
Vickery et Karakatsanis ont mené une étude (VICKERY, KARAKATSANIS, 1987) à la fois
expérimentale et numérique pour juger de la légitimité de l'emploi de coefficients de pression
obtenus par des tests en soufflerie sur des modèles réduits ne comportant pas d'ouvertures, pour
46
l'estimation des débits de ventilation traversante : leur conclusion est que dès lors que le vent n'est
pas normal à l'ouverture, ou dès lors que les vitesses en jeu sont importantes (ce qui est le cas
lorsque la proportion d'ouvertures en façade est importante), des erreurs significatives peuvent être
commises si l'on se réfère au champ de pression obtenu sur une maquette fermée.
Outre les débits de renouvellement d'air dans le bâtiment, il est utile de pouvoir estimer les vitesses
d'air engendrées par la ventilation naturelle dans un local, en fonction des conditions de vent. Ainsi,
Ernest et al. (ERNEST et al., 1991) , à partir d'expérimentations réalisées en cellule test dans une
soufflerie, ont pu établir des corrélations permettant d'estimer les vitesses d'air dans un local soumis
à une ventilation traversante en fonction de la vitesse et de l'orientation du vent, de la taille des
ouvertures (les 2 ouvertures étant de taille identiques et situées en vis-à-vis). Ils font appel pour cela
à différents coefficients dits coefficients de vitesse, en particulier le coefficient de vitesse moyenneC
v, rapport de la vitesse moyenne mesurée dans le local à la vitesse du vent mesurée à hauteur du
toit du bâtiment. Leurs résultats expérimentaux font apparaître que, pour une direction de vent
donnée, le coefficient de vitesse moyenne évolue linéairement avec le degré de porosité de la
façade.
A partir d'expérimentations, Givonni a pu établir une corrélation donnant la vitesse moyenne dans le
local quand les 2 ouvertures sont identiques :U
moy= 0.45 1− e−3.84ξ( )Uref (1.35)
où ξ est le rapport de la surface de l'ouverture à celle de la façade, et ceci dans le cas d'un bâtiment
cubique (SANTAMOURIS et al., 1996; SANGKERTADI, 1994) .
1.3.2 - Effets thermiquesLe débit de ventilation à travers une grande ouverture verticale, dû aux seuls effets thermiques, se
calcule pour une grande ouverture extérieure de la même façon que pour une ouverture interzone et
peut ainsi être estimé par :
Qv =1
3ACd
gH∆T
Tmoy
12 (1.36)
où Cd est le coefficient de décharge lié à l'ouverture, et A la surface de l'ouverture.
Les travaux expérimentaux menés par Warren (WARREN, 1978) confirment que cette expression
est valable dans le cas de fenêtres coulissantes, avec un coefficient de décharge conforme à la valeur
théorique de 0.61. Dans le cas de fenêtres pivotantes, il faut introduire dans l'expression théorique
un coefficient correctif qui est fonction de l'angle d'ouverture de la fenêtre.
1.3.3 - Effets combinés du vent et du tirage thermiqueEn fait, en conditions réelles, les effets du vent et les effets liés aux gradients de température
coexistent. Diverses études ont cherché à étudier leurs effets simultanés. Nombre de ces travaux
sont recensés par Riffat (RIFFAT, 1991) , ainsi que dans (IEA Annex 20, 1992) .
47
1.3.3.1 - Corrélations empiriques déduites d'expérimentations
De Gids et Phaff (DE GIDS, PHAFF, 1982) proposent une expression simple pour estimer l'effet
des conditions climatiques sur le renouvellement d'air par une grande ouverture :veff
= 0.001U 2 + 0.0035H∆T + 0.01 (1.37)
avec :
H : hauteur de l'ouverture (m)
U : vitesse du vent (m/s)
∆T : écart de température en l'intérieur et l'extérieur (°C)
veff : vitesse moyenne à travers une moitié de l'ouverture : veff =Qv
A / 2 (m/s)
Le terme constant dans cette expression représente les effets de la turbulence du vent : même
lorsque le vent moyen est nul, un débit résiduel peut être observé.
Un certain nombre d'expérimentations ont également été réalisées dans le cadre du programme de
recherche européen PASCOOL, aussi bien sur site réel qu'en cellule test (SANTAMOURIS et al.,
1996) . La plupart de ces expérimentations en simple exposition ont recours à une technique de gaz
traceurs pour estimer le débit de ventilation par l'ouverture. Ainsi Ducarme et al. (DUCARME et
al., 1994) , à partir d'expérimentations sur des cellules test munies de convecteurs électriques, à la
fois grâce à des mesures par gaz traceurs, et par l'écriture du bilan thermique de la cellule test, ont
pu déterminer le renouvellement d'air engendré par le vent. Ils obtiennent la corrélation suivante
pour le débit volumique sortant de l'ouverture :Q
out= (153± 8)∆T + (195± 6)U en m3/h (1.38)
Ces divers résultats expérimentaux sont bien sûr difficilement comparables entre eux, compte tenu
du fait que les conditions environnementales (site, bâtiment, orientation du vent, ...) sont variables.
1.3.3.2 - Prise en compte des grandes ouvertures extérieures dans les codes en pression
Lorsque les transferts de masse se font par le biais d'une grande ouverture extérieure, l'hypothèse de
vitesses faibles dans l'une et l'autre zone de part et d'autre de l'ouverture n'est plus respectée compte
tenu du vent, et des algorithmes spécifiques doivent donc être écrits. Des travaux ont été menés
pour intégrer dans les codes en pression l'évaluation des débits de ventilation naturelle par de
grandes ouvertures extérieures. Ainsi, dans le cadre du programme de recherche européen Pascool,
Dascalaki (DASCALAKI et al., 1995) a introduit dans la formulation générale un coefficient de
correction lié à la géométrie du bâtiment et de l'ouverture, et aux conditions climatiques en vent et
en température, à partir de l'analyse de résultats expérimentaux obtenus sur site réel et en cellule de
test. Cette méthode, implémentée dans le code en pression Passport-Air (DASCALAKI,
SANTAMOURIS, 1996), permet d'évaluer le renouvellement d'air par une grande ouverture en
ventilation simple. Le débit volumique correspondant est :Qv = CF × Qnetwork(Cd =1) (1.39)
48
où Qnetwork(Cd =1) représente le débit calculé par les codes en pression dans leur formulation classique,
en prenant un coefficient de décharge égal à 1. Le coefficient de correction CF est donné par
(DASCALAKI et al., 1995) :
CF = 0.08GrH
ReLb
2
−0.38
(1.40)
Cette corrélation a été déduite d'expérimentations gaz traceurs réalisées à la fois dans des cellules de
test et dans un bâtiment in situ. La prise en compte de ce coefficient améliore considérablement la
prédiction des codes en pression en ventilation simple. D'autres modèles empiriques ont également
été écrits à partir de l'analyse des résultats d'expérimentations réalisées en cellules de test
(SANTAMOURIS et al., 1996).
Si ces différents modules constituent un apport certain à la fiabilité des codes en pression pour
l'évaluation des débits de ventilation naturelle par de grandes ouvertures extérieures, il semble que
leur utilisation ne puisse être étendue à des bâtiments de géométrie quelconque compte tenu de leur
caractère empirique, sauf à multiplier considérablement le nombre des expérimentations de
référence.
1.3.4. - ConclusionIl apparaît que l'évaluation des débits de ventilation naturelle par les grandes ouvertures extérieures
doive encore faire l'objet de travaux supplémentaires pour permettre d'aboutir à un outil de calcul
absolument fiable. Les méthodes très simplifiées posent notamment le problème de la détermination
des coefficients de pression sur des façades très ouvertes, ainsi que celle des coefficients de
décharge. Les algorithmes plus récents intégrés aux codes en pression posent celui de la
généralisation de l'utilisation de modèles empiriques obtenus à partir d'expérimentations sur un
nombre restreint de géométries de bâtiment. En alternative au montage d'expérimentations parfois
lourdes, qui soulèvent outre les problèmes de maîtrise des conditions d'expérimentation, de
répétabilité des mesures, des problèmes de respect des conditions de similitude par rapport aux
conditions réelles, ainsi que des contraintes de coût, nous proposons de recourir aux codes de
champ.
1.4 - Codes de champ et ventilation naturelleDivers travaux se sont intéressés à l'étude numérique de la ventilation naturelle des bâtiments au
moyen d'un code de champ. Ainsi, Sangkertadi (SANGKERTADI, 1994) a réalisé la simulation
numérique tridimensionnelle de la ventilation naturelle d'habitations caractéristiques de
l'architecture en climat tropical humide. Kindangen et al. (KINDANGEN et al., 1996) ont
particulièrement étudié l'effet des paramètres architecturaux du bâtiment. Ces 2 études se sont
particulièrement intéressées à la distribution de vitesse dans le bâtiment, en situation de ventilation
49
traversante, et les coefficients de réduction de vitesse calculés se confrontent favorablement à des
résultats expérimentaux de la littérature.
Il semble en revanche que peu d'études numériques très détaillées aient été consacrées au cas de la
ventilation simple. Nous avons connaissance de la publication de Schaelin et al. (SCHAELIN et al.,
1992), consacrée à l'interaction du vent avec l'écoulement bidirectionnel d'origine thermique se
produisant dans l'ouverture unique d'une cavité chauffée, grâce à des simulations numériques CFD
bidimensionnelles et tridimensionnelles. Cette étude souligne que la simulation numérique CFD
permet une bonne description du panache thermique généré par une source ponctuelle, ainsi que de
l'allure des profils de vitesse dans l'ouverture en l'absence de vent. L'importance des effets
tridimensionnels est également mise en évidence.
1.5 - Objectifs de notre travail et conclusionDans ce qui précède, nous avons souligné les aptitudes de différentes méthodes utilisées pour
prédire les débits de ventilation et d'infiltration dans le bâtiment. Le cas de la ventilation naturelle
par de grandes ouvertures soulève certaines difficultés. Les codes de champ apparaissent être très
prometteurs en raison du caractère étendu des résultats qu'ils peuvent fournir. Néanmoins, ils sont
relativement lourds d'utilisation par le détail des entrées qu'ils nécessitent, le temps nécessaire pour
définir un problème, ainsi que l'importance des moyens informatiques (en termes de temps de calcul
et de mémoire vive) qu'ils demandent. Les codes en pression ont l'avantage d'être plus maniables,
mais fournissent des résultats plus globaux, tels que les débits entre zones, et reposent sur la
connaissance de paramètres déterminés au préalable par référence à des études expérimentales. Il
semble dès lors intéressant d'utiliser les grandes potentialités des codes de champ pour améliorer les
possibilités des codes simplifiés, en leur fournissant des données permettant de guider le choix de
certains de leurs paramètres d'entrée (coefficients de pression, coefficients de décharge), ou encore
en permettant l'établissement de lois liant les débits de renouvellement d'air aux conditions
climatiques dans le cas particulier de la ventilation naturelle par de grandes ouvertures. La
simulation numérique d'un problème à l'aide d'un code CFD peut alors être vue comme un outil
permettant de construire une base de données au même titre qu'une expérimentation sur maquette en
soufflerie, ou une expérimentation par vélocimétrie sur site réel.
Nous nous proposons donc dans ce travail de réaliser la simulation numérique de la ventilation
naturelle d'un local par de grandes ouvertures (ventilation simple et ventilation traversante), de
façon à corréler les débits de ventilation aux conditions climatiques. Avant d'aborder ces
configurations de ventilation naturelle, nous cherchons à évaluer l'aptitude d'un code de champ à
décrire les mouvements d'air dans le bâtiment. Pour cela, nous commençons dans le chapitre 2 par
mettre en évidence certaines potentialités des codes de champ, ainsi que les difficultés que soulève
leur utilisation.
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