Introduction

Expériences

Laurent Vincent | Ce livre collectif sur la ventilation naturelle se veut un guide pratique et technique accessible à tous les concepteurs d’espaces de vie, architectes, ingénieurs et techniciens des fluides pour mettre à disposition le fruit de vos travaux. Quelle est la genèse de cette recherche et de la décision de mettre vos expériences en commun en vue de cette publication ?

Alain Bornarel | Quand, dans les années 1990, Tribu a commencé à s’intéresser à la ventilation naturelle, nous nous sommes inspirés des opérations d’architectes (Alan Short, Bill Dunster, Feilden & Clegg) et d’ingénieurs anglais (Randall Thomas). En 2005, nous livrons le lycée du Pic Saint Loup, des architectes Pierre Tourre et Serge Sanchis. Pour contourner l’effet du mistral, l’air transite par un plenum dans le plancher avant de traverser les salles de classe et de sortir en toiture dans la circulation. Plus récemment, en 2017, Tribu réalise, avec Co-architectes, la médiathèque de Saint-Joseph sur l’île de la Réunion, en climat tropical. Aération et rafraîchissement sont assurés par une ventilation traversante régulée par des jalousies en façades, et complétée en cas de faible vent par un puits dépressionnaire central.

Tribu rencontre l’équipe de Switch en 2015 sur l’école maternelle les Boutours 2 à Rosny-sous-Bois. Ensemble, nous développons une solution innovante de ventilation naturelle avec récupération de chaleur de l’air extrait. Cette collaboration s’est prolongée par une exposition intitulée « Respirer sans machine », montée par la Direction de la Recherche et de l’Innovation de Rosny-sous-Bois et Switch en mars-avril 2023 à l’école d’architecture Paris La Villette. Puis, par une formation « ventilation naturelle », assurée par les deux bureaux d’études, incluant une journée de conception technique et de dimensionnement. Ce livre en est le prolongement.

Il s’inscrit dans un contexte de montée en puissance des préoccupations d’été et de transition entre une bioclimatique du soleil à une bioclimatique du vent, d’une bioclimatique dictée par la récupération des apports solaires à une bioclimatique liée à la puissance du vent et à sa capacité de rafraîchissement.

Mathieu Le Bourhis | Je commence à aborder le sujet de la ventilation naturelle lors d’un premier emploi dans un BET anglais, au cours duquel je me familiarise avec l’utilisation de certains logiciels qui me seront très utiles par la suite – simulation thermique dynamique et mécanique des fluides numériques. A mon retour en France, je continue de travailler sur le sujet occasionnellement, puis co-fonde Switch en 2011 sur une exigence de concret dans les préoccupations environnementales : l’équipe développe des solutions en matière de ventilation et chauffage dans une démarche « low tech », notamment du fait que notre travail amont sur la bioclimatique du bâti nous amène à envisager que les systèmes techniques peuvent être simplifiés quand les besoins énergétiques sont réduits. En 2015, bientôt suivi par Giampiero Ripanti, je me détache de Switch pour travailler à temps partiel au sein de la direction de recherche et d’innovation de la ville de Rosny-sous-Bois et travaille sur l’opération des Boutours 2 évoquée par Alain, et notre travail sur la ventilation naturelle prend une tournure plus engagée avec la mise en place de la récupération de chaleur. Après cette opération, nous continuons nos recherches sur deux centres de loisirs (Jacques Chirac et Mermoz) et trois écoles (Simone Veil, Bois-Perrier et Mermoz) toujours à Rosny-sous-Bois. L’ADEME soutient ce type de démarche d’innovation via son programme de financement de la recherche BATRESP, ce qui nous donne l’occasion de formaliser par écrit nos études et nos différentes recherches – nous tentons par exemple de mettre au point un échangeur de chaleur partiellement biosourcé et fabriqué localement, piste qui sera finalement abandonnée faute d’efficacité thermique suffisante… Ce soutien déterminant de l’ADEME régionale est à souligner à l’heure où sa propre existence est remise en cause par les pouvoirs publics.

Pression & tirage

La ventilation naturelle prend appui sur des phénomènes physiques : l’effet du vent, qui met en surpression et en dépression des façades d’un bâtiment, et le tirage thermique. Pouvez-vous décrire les avantages de ces effets combinés ?

Alain Bornarel | Pourquoi la ventilation naturelle ? Pour répondre sans machine à deux impératifs de santé. Celui du renouvellement d’air hygiénique pour une bonne qualité de l’air intérieur et pour évacuer les pollutions. Et celui du confort d’été pour pallier aux effets de surchauffe et favoriser l’évapo-transpiration. Selon qu’on réponde à l’un ou à l’autre, on n’aura ni les mêmes débits, ni les mêmes solutions techniques. En ventilation hygiénique, 1 volume/heure suffit pour une pièce d’habitation, 3 à 4 volumes/heure pour une salle de classe. Mais pour évacuer les surchauffes, il faut prévoir 15 à 30 volumes/heure et jusqu’à 100 volumes/heure avec l’effet de brise.

En matière de solutions techniques, la ventilation traversante a comme moteur la pression du vent : surpression sur la façade au vent et dépression en façade sous le vent créent un flux d’air intérieur. Le tirage thermique ne fait pas appel au vent, il repose sur le différentiel de densité de l’air entre intérieur et extérieur, d’autant plus important que la hauteur de cheminée est grande. Le tirage thermique fonctionne très bien en hiver, et il faut le réguler par des registres.

En été, il y a un risque d’inversion de flux quand la température extérieure est supérieure – ce qui n’est pas forcément problématique – mais aussi de diminution des débits du fait des moindres différences de températures entre intérieur et extérieur. S’impose alors l’ouverture des fenêtres, qui permet de générer des débits relativement importants malgré des forces naturelles moins vigoureuses. Il existe aussi des modes d’assistance par le soleil ou le vent. La « cheminée solaire » limite les risques d’inversion de flux et renforce le débit en interposant dans le conduit un vitrage exposé au rayonnement solaire ; pour être efficace, ce réchauffement solaire doit toutefois avoir lieu à la base d’un conduit d’extraction. Les girouettes et sorties de cheminée permettent de mieux capter les vents et de transformer son énergie en dépressions efficaces pour mettre l’air en mouvement.

Mathieu Le Bourhis ­| Un aspect central de la compréhension du fonctionnement de la ventilation naturelle est qu’il faut imaginer que la pression à l’intérieur du bâtiment s’ajuste en permanence pour atteindre un équilibre qui dépend des pressions exercées par le vent sur l’enveloppe, de la densité de l’air à l’intérieur et à l’extérieur, et même de la position et de la taille des ouvrants. La moindre variation d’un de ces trois paramètres a un impact sur la pression intérieure du bâtiment et donc sur les écoulements d’air qui le traversent. Par ailleurs, pour donner quelques ordres de grandeur, les écoulements en ventilation naturelle sont générés par des différences de pression de l’ordre de quelques pascal (Pa), alors qu’en ventilation mécanique, les pressions nécessaires sont de l’ordre de 80 à 200, voire 300 Pa.

Ecoles & bureaux

Dans quel(s) contexte(s) la ventilation naturelle est-elle adaptée ?

Mathieu Le Bourhis ­| La ventilation naturelle est très adaptée aux ERP et aux bâtiments tertiaires. Dans les bâtiments scolaires notamment, les solutions innovantes de ventilation naturelle double-flux avec récupération de chaleur sur l’air extrait utilisant des échangeurs à plaque, couplées à des capteurs de CO₂ , sont probantes sur de nombreuses opérations depuis les procédés expérimentés notamment à Rosny-sous-Bois, le frottement de l’air au travers des échangeurs étant compensé par une hauteur importante des tours à vent. La mise en œuvre de récupération de chaleur restant relativement complexe, il faut aussi continuer à considérer et développer les stratégies de ventilation naturelle « simple flux », plus simples mais qui restent relativement efficaces dans des contextes où le besoin de renouvellement d’air est plus faible, ou les hivers moins rigoureux. Dans certains cas très particuliers, comme dans les hôpitaux où de très hautes exigeantes sur la qualité d’air imposent la mise en œuvre de filtres performants, la ventilation naturelle n’est pas pertinente. Dans les cas où les contraintes acoustiques sont fortes, comme les salles de spectacle, sa mise en œuvre est plus délicate, mais reste possible.

Energie ou santé

Les dispositifs de ventilation naturelle dans la construction sont anciens ; les normes de renouvellement d’air établies par les hygiénistes au XIX^e siècle ont été supplantées au milieu du XX^e siècle par la ventilation mécanique. Pour quels gains, et pour quelles pertes ? Pouvez-vous retracer les évolutions réglementaires et la place des dispositifs low-tech et frugaux pour une ventilation naturelle ?

Alain Bornarel | La ventilation naturelle fut, pendant des siècles, le seul système pour aérer les bâtiments. Les hygiénistes du XIX^e avaient imaginé et dimensionné des systèmes très performants notamment dans le résidentiel collectif (prisons, hôpitaux, logements collectifs). On retrouve sur plusieurs opérations ce ratio de renouvellement d’air de 1 volume/heure. En France, avec les arrêtés de 1982 pour le logement[1] et le règlement sanitaire départemental type pour le tertiaire[2], la préoccupation d’économie d’énergie l’emporte sur celle de la santé des hygiénistes. Les taux de renouvellement d’air en logement tournent autour de 0,5 volume/heure voire 0,3 avec la ventilation hygroréglable. Cet arbitrage persistant conduit à des débits de ventilation très insuffisants et largement en dessous de ceux préconisés par les normes européennes.

Mathieu Le Bourhis | L’hégémonie de la ventilation mécanique s’est imposée pour devenir une évidence, un réflexe, mais il y a toujours eu dans les textes réglementaires une alternative pour la ventilation naturelle. La ventilation mécanique est devenue une habitude qui s’est installée dans les esprits de l’ensemble de la profession, notamment au sein des bureaux de contrôle, de sorte que les solutions de ventilation naturelle sont portées comme des innovations alors qu’historiquement ce sont plutôt des solutions courantes.

Low-tech

Vous mettez à disposition des outils d’évaluation pour concevoir et dimensionner des systèmes de ventilation naturelle : des règles « sur le pouce », faciles d’accès pour des généralistes, et des calculs plus savants de simulation dynamique pour les ingénieurs, ce qui fait de cet ouvrage un outil très complet pour que chacun puisse s’engager dans un processus low-tech robuste. Quelles sont les implications de ce parti-pris sur les utilisateurs ? Et qu’en est-il de l’impact carbone sur le fort dimensionnement des gaines en ventilation naturelle ?

Alain Bornarel | Si les simulations thermodynamiques et aérauliques sont incontournables en ventilation naturelle, les « règles sur le pouce » sont très utiles dans les discussions préliminaires dans l’équipe de maitrise d’œuvre et avec le maitre d’ouvrage pour prendre les grandes orientations dès les esquisses de projet. Elles sont aussi très utiles pour vérifier que les calculs de simulation thermodynamiques ne sortent pas des énormités par erreur de saisie, et permettent de garder un regard sur les ordres de grandeur.

Le choix low-tech de la ventilation naturelle implique une transformation des utilisateurs en usagers-acteurs. L’absence de machine électrique implique des consommations moindres, moins d’entretien-maintenance et une moindre dépendance à la permanence du réseau. Ce choix se distingue singulièrement des systèmes propres au PassivHaus qui est certes plus pertinent face aux rigueurs du froid mais qui a entièrement recours à des systèmes techniques dépendant du réseau électrique. Il n’y a pas de système parfait.

Le suivi de la Médiathèque James Baldwin à Paris de l’agence Associer va permettre de comparer plusieurs systèmes : un asservissement automatique au taux de CO₂, d’un côté, plus efficace mais plus exigeant en entretien, et d’un autre côté, un système manuel, moins précis mais plus robuste. On sait que la première vague d’utilisateurs peut facilement être sensibilisée à la gestion du bâtiment, mais pour les utilisateurs suivants, il y a une perte d’information. La maitrise d’ouvrage a un rôle important pour transmettre aux utilisateurs les informations sur leur capacité d’action sur le comportement du bâtiment.

Mathieu Le Bourhis | Laisser la main aux utilisateur·ices dans le parti-pris low-tech, c’est accepter de reconsidérer le niveau d’efficacité énergétique en prenant en compte la question de la simplicité technique ; par ailleurs, c’est leur offrir la double possibilité d’être plus autonomes et de prendre soin des lieux dans lequel ils et elles vivent ; que ce soit de manière très attentive, en fonction d’un taux de CO₂ donné par la sonde, ou de manière plus intuitive en fonction de leurs ressentis de confort et de l’observation des conditions météorologiques, sans doute aussi d’un certain apprentissage lié aux dispositifs.

Le fort dimensionnement des réseaux en ventilation naturelle (quand il y en a) n’est à priori pas favorable au bilan d’analyse en cycle de vie (ACV) en énergie grise ; il leur est toutefois favorable si les gaines sont préférentiellement réalisées en plaques de plâtre (peut-être un jour, en terre crue ?) présentant un bilan moins lourd que la tôle métallique. L’intégration architecturale joue par ailleurs pour beaucoup : penser la ventilation naturelle comme inhérente au bâti permet de rationaliser les besoins en gaine, mutualiser la nécessité de certains faux plafonds ou plenums… Dans le cas de la récupération de chaleur, les échangeurs à plaque en aluminium pèsent sur le bilan carbone de manière significative.  Le choix de la ventilation naturelle est une demande qui va croissant auprès des architectes et des maitres d’ouvrage ; on voit bien que ça bouge en profondeur. Et ce livre a vocation de permettre à chacun d’en apprécier les tenants et les conditions d’usage.

Canicule

La climatisation est-elle – comme certains politiques le laissent entendre – la seule réponse aux épisodes caniculaires ? La ventilation naturelle n’est-elle pas une autre solution – qui, elle, n’aggrave pas le réchauffement climatique ? Quels retours avez-vous eu des utilisateurs des bâtiments que vous avez conçus ?

Alain Bornarel | Ce débat actuel sur la climatisation est très mal posé. Sous le poids de l’émotion liée à la canicule, il inverse les priorités. Sur les bâtiments existants, la pose de persiennes extérieures bloquant le rayonnement solaire mais laissant passer l’air, puis l’installation de brasseurs d’air permettent de gagner une dizaine de degrés et, dans bien des cas de se passer de climatisation. En construction neuve, la diffusion chez les concepteurs et maîtres d’ouvrage d’une culture de la bioclimatique d’été (végétalisation des abords, bâtiments moins épais et locaux traversants, inertie et ventilation naturelle nocturne) aurait évité de mal poser ce débat.  De même qu’une intervention à l’échelle de la ville sur la création d’îlots de fraîcheur ou l’adaptation des horaires.

Alors, on peut se poser la question de la clim si tout ça est insuffisant. Et si la clim s’avère nécessaire, on aura effectué des travaux qui permettront de réduire fortement les puissances installées. C’est que la clim n’est pas toute propre. Elle privatise la fraîcheur mais mutualise le chaud rejeté à l’extérieur, les fluides frigorifiques sont suspectés de se dégrader en PFAS. Et surtout, elle manque de robustesse car elle dépend d’une alimentation électrique qui s’avère fragile en période de grande chaleur.

La médiathèque James Baldwin dont j’ai parlé plus haut, entièrement rafraîchie par sa ventilation naturelle, sert de lieu refuge à quelques habitants du quartier pendant les périodes de canicules.

Mathieu Le Bourhis  | J’ajouterais que lors des épisodes de canicule, les retours concernant le confort sont très positifs dans les écoles de Rosny-sous-bois équipées de ventilation naturelle avec récupération de chaleur. L’ensemble des solutions incontournables du confort d’été y sont certes mises en œuvre – protection solaires efficaces, inertie via des matériaux bio-géo-sourcés, brasseurs d’air ; la récupération de chaleur nécessitant des hauteurs de tirage importantes et donc des tours à vent particulièrement hautes, celle-ci sont mise à profit pour la ventilation naturelle nocturne et équipées de « bypass » permettant à l’air de contourner l’échangeur à plaques et donc de circuler plus facilement.