Ventilation : une étude en termes d’énergie primaire

La ventilation double-flux avec récupération de chaleur – parfois appelée ventilation douce – consiste à pulser mécaniquement de l’air neuf dans les locaux et à extraire mécaniquement l’air vicié de ces mêmes locaux. La ventilation double-flux étant le plus souvent centralisée, elle est capable de récupérer la chaleur de l’air vicié pour pré-chauffer l’air neuf venant de l’extérieur. Les pertes thermiques par ventilation sont donc réduites par rapport à la ventilation naturelle (ouvertures directement sur l’extérieur) ou la ventilation simple-flux (introduction d’air neuf depuis l’extérieur et extraction mécanique de l’air vicié, sans récupération de chaleur le plus souvent).

La ventilation double-flux avec récupération de chaleur est ainsi reconnue comme l’une des techniques qui augmentent l’efficacité énergétique d’un bâtiment.

Systèmes de ventilation

Fig. 1 – Ventilation double-flux et ventilation naturelle.

La ventilation double-flux nécessite néanmoins une certaine quantité d’électricité pour fonctionner : la pulsion et l’extraction d’air est réalisée par des ventilateurs électriques. La consommation d’électricité des ventilateurs est loin d’être négligeable, à tel point que la réduction des horaires de ventilation est souvent la première action mise en œuvre lorsque l’on essaie d’optimiser un bâtiment en exploitation. Mais si cette consommation d’électricité est importante, elle peut être compensée par la récupération de chaleur, qui fait tout l’intérêt du double-flux. Cependant, on peut se demander s’il existe des bâtiments où la ventilation double-flux produit une charge environnementale plus importante qu’une ventilation naturelle. C’est cette question que nous allons traiter dans cet article.

Energie primaire

Pour comparer différents systèmes de ventilation en termes de charge environnementale, on choisit ici d’utiliser la notion d’énergie primaire. L’énergie primaire est une forme d’énergie disponible dans la nature destinée à être transformée en une source d’énergie secondaire et acheminée à l’utilisateur final. Les combustibles, l’hydroélectricité et la fission nucléaire comptent parmi les sources d’énergie primaire. La transformation de l’énergie primaire en une énergie secondaire et le transport de cette dernière consomment de l’énergie. Il est ainsi possible de définir un coefficient de conversion qui établit la quantité d’énergie primaire nécessaire pour chaque kWh d’énergie secondaire consommée par l’utilisateur final. Les valeurs ci-dessous sont tirées du cahier technique SIA 2040 [1] :

Nature de l’énergie secondaire Coefficient de conversion primaire-secondaire Rendement du générateur de chaleur Coefficient global
Mazout 1.23 0.85 1.23/0.85 = 1.45
Gaz 1.18 0.90 1.18/0.90 = 1.31
Electricité 2.64 3.9 (pompe à chaleur) 2.64/3.9 = 0.68
CAD (ex. Pierre-de-Plan) 0.65 0.95 (échangeur) 0.65/0.95 = 0.68
Bois – Pellets 0.21 0.85 0.21/0.85 = 0.28
Bois – Plaquettes 0.06 0.75 0.06/0.75 = 0.08

Ces valeurs appellent deux remarques suivantes :

  • Le coefficient de conversion de l’électricité est très mauvais : pour chaque kWh d’électricité consommé, il faut dépenser 2.64 kWh d’énergie primaire. Quand l’électricité est utilisée pour alimenter une pompe à chaleur, ce mauvais rendement est compensé par le coefficient de performance de la pompe à chaleur (environ 3.9), ce qui mène à un coefficient global de 0.68. Par contre, il n’est pas compensé quand l’électricité est utilisée pour alimenter des ventilateurs.
  • Le coefficient de conversion de la chaleur est grandement variable selon qu’elle est produite par du mazout (1.23) ou par des plaquettes de bois (0.06).

L’électricité demande donc beaucoup d’énergie primaire, tandis que la chaleur peut en demander peu ou beaucoup selon que le bâtiment est chauffé au bois ou au mazout. Existe-t-il donc des situations où la perte de chaleur engendrée par la ventilation naturelle est préférable à la consommation d’électricité engendrée par la ventilation double-flux ?

Ventilation double-flux vs. Ventilation naturelle

Le besoin en énergie primaire de la ventilation dépend de plusieurs facteurs. En premier lieu, ce besoin dépend de la source de chaleur (mazout, gaz, chauffage urbain, PAC, bois). En effet, le coefficient de conversion étant plus ou moins grand selon la source de chaleur, les pertes thermiques engendrées par la ventilation prennent plus ou moins d’importance dans le bilan d’énergie primaire.

Le besoin en énergie primaire dépend aussi de l’affectation du bâtiment (logement, école, etc.) et des conditions climatiques du site. Ces deux facteurs influencent en effet la durée de la période de chauffe, et donc la durée pendant laquelle la ventilation est susceptible de générer une perte thermique.

Pour quantifier le besoin d’énergie primaire engendré par la ventilation, on simule le comportement d’une école située à Lausanne [2]. On considère les besoins en air neuf d’une personne (30 m3/h) et on calcule tous les gains et les pertes d’énergie que cette personne engendre :

  • chaleur dégagée par la personne (70 W)
  • éclairage artificiel (10 W/m2)
  • perte de chaleur due à l’enveloppe thermique
  • perte de chaleur due à la ventilation (avec ou sans récupération de chaleur)
  • perte d’électricité due à la ventilation (dans le cas de la ventilation double-flux)

La prise en compte de la chaleur dégagée par la personne, de l’éclairage et de l’enveloppe thermique permet d’estimer la longueur de la période de chauffe. Durant cette période, on comptabilise la consommation d’énergie primaire de la ventilation, selon qu’il s’agisse d’une ventilation double-flux ou d’une ventilation naturelle. Les gains solaires ne sont pas comptés par simplicité de calcul.

La série de 3 graphiques affichée ci-dessous montre l’évolution du besoin en énergie primaire d’une personne dans l’école en fonction de la température extérieure et du type de ventilation (courbes rouge plein pour le double-flux et rouge trait-tillé pour la ventilation naturelle). La ventilation double-flux est pénalisée par une consommation de base en électricité quel que soit la température extérieure. Par contre, le double-flux étant capable de récupérer la chaleur de l’air vicié, il raccourcit la période de chauffe et engendre des pertes thermiques sur une durée plus courte dans l’année. De plus, pour une température extérieure donnée, les pertes thermiques sont plus faibles que pour la ventilation naturelle. Ainsi, la ventilation double-flux a tendance à consommer plus d’énergie primaire que la ventilation naturelle quand il fait chaud, mais moins d’énergie primaire quand il fait froid. Pour déterminer lequel des deux systèmes de ventilation consomme globalement le moins d’énergie primaire, on pondère le besoin d’énergie primaire par la fréquence d’occurrence de chaque température. Par exemple, si la ventilation naturelle consomme 200 Watts d’énergie primaire (pour une seule personne) par 2°C extérieur et qu’il y a 100 heures travaillées par année où il fait 2°C extérieur, la consommation d’énergie primaire correspondant à 2°C sera de 200 Watt par personne X 100 heures par an = 20’000 Watt heure par personne et par an = 20 kilo Watt heure par personne et par an (kWh/pers/an). La même opération est réalisée pour chaque valeur de température et les résultats sont additionnés pour donner le besoin cumulé d’énergie primaire.

La figure ci-dessous montre la situation dans le cas où l’école est chauffée au gaz.

Graphique chaudière à gaz

Fig. 2 – Besoin en énergie primaire (exprimé en Watts par personne) pour la ventilation naturelle et la ventilation double-flux dans le cas où l’école est chauffée au gaz.

Le gaz ayant un mauvais coefficient global (1.31), les pertes thermiques de la ventilation naturelle coûtent cher en énergie primaire. On voit d’ailleurs que la ventilation naturelle est moins performante que la ventilation double-flux dès que la température extérieure descend en-dessous de 10°C, ce qui est fréquent. Globalement, chaque personne consomme 250 kWh d’énergie primaire par année avec la ventilation naturelle, mais 220 kWh avec la ventilation double-flux. Ainsi, quand l’école est chauffée au gaz, la ventilation double-flux est plus performante que la ventilation naturelle.

Besoin d’énergie primaire avec ventilation naturelle 250 kWh/pers/an
Besoin d’énergie primaire avec ventilation double-flux 220 kWh/pers/an
Meilleur système de ventilation Double-flux

La figure ci-dessous montre la situation dans le cas où l’école est desservie par un chauffage à distance (exemple de l’usine d’incinération de Pierre-de-Plan à Lausanne). A noter que le graphique serait le même pour un chauffage par pompe à chaleur.

Graphique CAD

Fig. 3 – Besoin en énergie primaire (exprimé en Watts par personne) pour la ventilation naturelle et la ventilation double-flux dans le cas où l’école est chauffée par un réseau de chaleur à distance (exemple de l’usine d’incinération Pierre-de-Plan, à Lausanne).

Le coefficient global du chauffage à distance étant relativement bon (0.68), les pertes thermiques de la ventilation naturelle coûtent relativement peu en énergie primaire. Ce n’est qu’en-dessous de 7°C extérieur que la ventilation naturelle devient moins performante que la ventilation double-flux. Par ailleurs, la différence entre les deux systèmes reste faible à mesure que la température extérieure baisse. Globalement, chaque personne consomme 120 kWh d’énergie primaire par année avec la ventilation naturelle, mais 170 kWh avec la ventilation double-flux. Ainsi, quand l’école est chauffée par un chauffage à distance, la ventilation naturelle est plus performante que la ventilation double-flux. La conclusion serait la même avec une pompe à chaleur.

Besoin d’énergie primaire avec ventilation naturelle 120 kWh/pers/an
Besoin d’énergie primaire avec ventilation double-flux 170 kWh/pers/an
Meilleur système de ventilation Vent. naturelle

La figure ci-dessous montre la situation dans le cas où l’école est chauffée par des plaquettes de bois.

Graphique chaudière à bois

Fig. 4 – Besoin en énergie primaire (exprimé en Watts par personne) pour la ventilation naturelle et la ventilation double-flux dans le cas où l’école est chauffée par du bois en plaquettes.

Le coefficient global du chauffage à plaquettes de bois étant excellent (0.08), les pertes thermiques de la ventilation naturelle coûtent très peu en énergie primaire. Même par -10°C extérieur, la ventilation naturelle est plus performante que la ventilation double-flux. Globalement, chaque personne consomme 50 kWh d’énergie primaire par année avec la ventilation naturelle, mais 150 kWh avec la ventilation double-flux. Ainsi, quand l’école est chauffée par des plaquettes de bois, la ventilation naturelle est bien plus performante que la ventilation double-flux.

Besoin d’énergie primaire avec ventilation naturelle 50 kWh/pers/an
Besoin d’énergie primaire avec ventilation double-flux 150 kWh/pers/an
Meilleur système de ventilation Vent. naturelle

Cette analyse en termes d’énergie primaire montre donc que la ventilation double-flux n’est pas une technique efficace dans toutes les situations et que la ventilation naturelle est préférable dans nombre de situations courantes. C’est au concepteur d’étudier son projet de façon rationnelle et de choisir un système de ventilation adapté au contexte.

Arrêter la ventilation double-flux hors période de chauffe ?

Dans une optique d’optimisation des bâtiments existants, les résultats précédents suggèrent de réserver la ventilation double-flux pour les périodes froides et la ventilation naturelle pour les périodes chaudes. Malheureusement, tous les bâtiments ne disposent pas d’un système de ventilation naturelle adapté au site, c’est-à-dire un système qui soit robuste à la pluie, au vent, aux effractions et qui atténue raisonnablement les bruits aériens. Néanmoins, l’arrêt du double-flux l’été pourrait être envisagé dans des bâtiments qui disposent d’ouvrants et qui sont situés dans des zones relativement calmes.

Vers une ventilation naturelle avec récupération de chaleur ?

Des systèmes de ventilation naturelle avec récupération de chaleur ont déjà été réalisés, notamment par l’architecte Bill Dunster (ZED). Ces systèmes combinent les avantages du double-flux et de la ventilation naturelle, c’est-à-dire la récupération de chaleur et l’économie d’électricité respectivement.

Jubilee Wharf

Fig. 5 – Système de ventilation du Jubilee Wharf (2006), Penryn, Cornouailles (architecte : Bill Dunster).

BedZed

Fig. 6 – Tours à vent de l’ensemble résidentiel bedZED (2002), Londres (architecte : Bill Dunster). [3].

La ventilation naturelle avec récupération de chaleur est donc possible en pratique. Elle nécessite cependant des tours à vent assez visibles. La ventilation naturelle avec récupération de chaleur ne peut donc être mise en œuvre que si l’architecte assume totalement ce système dans son projet, comme l’a fait Bill Dunster.

Références et bibliographie

[1] Société des Ingénieurs et Architectes : Cahier Technique SIA 2040 – La voie SIA vers l’efficacité énergétique. SIA, 2011.

[2] Caractéristiques de l’école : Facteur de forme = 1.5. Occupation = 5 m2 par personne. Puissance éclairage = 10 W/m2 de plancher. Taux de vitrage = 70% (les gains solaires ne sont pas pris en compte, ce qui favorise le double-flux). Valeur U des parois opaques = 0.15 W/m2/K. Valeur U des vitrages et huisseries = 1.20 W/m2/K. Rendement de récupération de la ventilation double-flux = 70%. Consommation électrique de la ventilation double-flux = 0.7 W/m3/h/personne. Débit de ventilation (double-flux ou naturelle) = 30 m3/h/personne. Horaires : de 8h à 17h. Vacances : juillet et août. Données météo : station de Pully, années 1990-1995.

[3] Tiré de : www.zedfactory.com.