Utiliser la surventilation pour rafraîchir un bâtiment : ventilation naturelle, mécanique, tours à vent
La surventilation d’un bâtiment consiste à maximiser l’entrée d’air frais lorsque les températures extérieures sont plus basses que celles intérieures, généralement la nuit, et repose sur un débit de ventilation élevé, supérieur à celui de la ventilation hygiénique. Elle permet d’évacuer la chaleur d’un bâtiment et ainsi de rafraîchir l’air intérieur et de réduire les besoins en climatisation.
Un des trois piliers pour rafraîchir les bâtiments
La ventilation nocturne est l’un des trois piliers fondamentaux pour améliorer le confort d’été dans un bâtiment, avec l’isolation et la limitation des apports solaires (Ademe, 2023).
Réduire le recours à la climatisation
La ventilation naturelle permet de réduire le recours à la climatisation, fortement consommatrice d’énergie et qui contribue à réchauffer l’air extérieur.
Points forts
Une solution simple, naturelle, et adaptée à de nombreux bâtiments
Solution passive
Faible coût (voire gratuit)
Solutions alternatives à la climatisation
Réduction de la consommation d’énergie
Possibilité d’automatiser l’ouverture des ouvrants pour atténuer les contraintes d’usage
La surventilation nocturne cherche à évacuer la chaleur des bâtiments accumulée pendant la journée. Elle ne doit pas être confondue ici avec la ventilation d’hygiène qui vise à évacuer la pollution intérieure et la vapeur d’eau afin d’assurer une qualité de l’air suffisante dans le bâtiment.
En effet, la surventilation se distingue de la ventilation puisqu’elle vise à accentuer le renouvellement de l’air, c’est-à-dire à ventiler avec un taux de renouvellement de l’air plus important que celui résultant d’une simple ouverture des fenêtres ou de la ventilation d’hygiène. L’objectif est de renforcer les échanges thermiques liés au mouvement de l’air pour accélérer la « décharge thermique ».
Les taux de renouvellement de l’air recommandé varient selon les études, malgré tout un minimum de 5 vol/h est nécessaire, jusqu’à 10 vol/h pour être efficace. Cela revient à 250 et 500 m3/h pour une pièce de 20 m2. A l’inverse, ces taux de renouvellement d’air en ventilation hygiénique se situent généralement entre 0,25 et 1 vol/h maximum, et témoignent ainsi de la difficulté de la surventilation avec ces dispositifs.
Différentes méthodes de surventilation nocturne existent pour limiter la surchauffe des bâtiments :
La surventilation naturelle nocturne consiste à faire entrer l’air frais de la nuit dans le bâtiment par les ouvrants (fenêtres simples, fenêtres oscillo-battantes, volets/grilles de ventilation).
Elle repose sur les différences de températures entre l’air intérieur et extérieur : elle est intéressante lorsque l’air extérieur est plus frais que l’air ambiant du bâtiment, ce qui est généralement le cas la nuit en été.
En particulier, elle s’appuie sur deux effets physiques :
La pression du vent, qui génère un flux d’air à l’intérieur du bâtiment. Cet effet dépend notamment de la vitesse du vent, de son angle d'attaque et de la surface des ouvrants : plus la surface est grande, plus le débit d'air est élevé ;
Le tirage thermique (ou effet cheminée), qui provoque un mouvement d’air vertical en raison de la différence de densité entre l’air chaud intérieur, qui monte, et l’air plus frais extérieur, même sans vent. Il dépend également de la surface des ouvrants, mais aussi de la distance verticale entre la prise d'air et l'extraction d'air, et de la différence de température entre la base et le haut de la colonne d'air. Ainsi, le tirage thermique est plus efficace lorsque la zone d'extraction d'air est haute et lorsque la différence de température est élevée.
Selon le placement des ouvrants sur le bâtiment, la surventilation naturelle nocturne va prendre différentes formes :
Unilatérale, lorsque les ouvrants (fenêtres, grilles d’aération…) se trouvent sur une seule et même façade. La surventilation dépend de la pression du vent et du tirage thermique, cependant les débits restent limités car l’air entre et sort du même côté du bâtiment.
Traversante (ou transversale), lorsque les ouvertures sont disposées sur des façades opposées. Dans ce cas, le mouvement de l’air est principalement généré par la pression du vent, ce qui peut engendrer des débits importants lorsque le vent est suffisamment fort et les surfaces d’ouverture suffisamment grandes. Pour améliorer son efficacité, il est conseillé d’éviter les obstacles sur le chemin de l’air entre les ouvertures (cloisons, meubles, portes fermées), afin de réduire au maximum les résistances qui diminuent le débit d’air.
Le tirage thermique est plus régulier et prévisible. A l’inverse, la pression du vent est un effet discontinu : un vent peut être nul ou trop faible pour générer un débit suffisant pour une surventilation efficace, ou au contraire générer ponctuellement de très forts débits avec de puissantes rafales. En milieu urbain dense, la vitesse du vent est perturbée par les bâtiments, ce qui limite encore son efficacité.
Sur conception neuve, il est donc intéressant de réfléchir le placement des ouvrants.
Pour éviter qu’une fenêtre ne se referme toute seule, les menuiseries oscillo-battantes permettent de maintenir en position entrouverte sécurisée la fenêtre. Il est également possible d’installer des systèmes maintenant les fenêtres ouvertes à un angle voulu, comme les compas de maintien (« friction stays »), ou les entrebâilleurs de fenêtre. Cela limite également l'entrée d'eau en cas de pluie et le risque d'intrusion.
Une technique résiliente et passive
La surventilation nocturne naturelle est la technique de rafraîchissement des bâtiments la plus résiliente en ce qu’elle permet de faire baisser la température des espaces intérieurs sans intervention d’appareils mécaniques et donc sans consommation d’énergie : c’est ce que l’on appelle un système de rafraichissement passif.
Organiser l’ouverture des ouvrants
Ces méthodes de ventilation naturelle peuvent se mettre en place dans les logements, les établissements recevant du public ou encore les bureaux. L'occupant doit connaître les meilleurs horaires d'ouverture, afin de ne pas laisser entrer de l'air plus chaud que la température intérieure.
De plus, l’ouverture des ouvrants peut nécessiter une certaine organisation entre les usagers du bâtiment comme la désignation de responsables de l’aération ou encore l’élaboration d’un planning d’ouverture. Il existe donc un fort enjeu d’implication des parties prenantes.
Il est aussi possible d’automatiser l’ouverture des aérations. C’est le cas du retour d’expérience d'Icade présenté ci-dessous.
La surventilation mécanique se distingue de la surventilation naturelle par le fait que l’air n’est pas mis en mouvement par la force du vent ou par le tirage thermique, mais par l’utilisation de systèmes motorisés, comme des ventilateurs (insufflent l’air) ou des extracteurs (rejettent l’air), spécifiquement dimensionnés pour augmenter les débits d’air au-delà des besoins hygiéniques. Elle est notamment intéressante lorsque la mise en place d’une ventilation naturelle est freinée ou insuffisante, par la nature du bâti, les usages ou les nuisances (bruit, pollution).
Bien que la Ventilation Mécanique Contrôlée (VMC) repose sur les mêmes principes de ventilation, mécanique, elle est généralement dimensionnée uniquement pour assurer les débits réglementaires hygiéniques, qu’elle soit simple-flux (insufflation ou extraction d’air) ou double-flux (insufflation et extraction d’air). Une surventilation efficace nécessite des débits nettement supérieurs, impliquant un dimensionnement spécifique des équipements et réseaux d’air.
Ce type de surventilation dit « actif » nécessite donc un réseau parallèle à celui utilisé pour la ventilation hygiénique, quand ils existent, ces derniers n’étant pas dimensionnés pour de tels débit d’air. Des réseaux de gaines dédiés à la surventilation doivent être installées et aller jusque dans les chambres, où l’usager ressent le plus d’inconfort thermique et acoustique.
Par ailleurs, la surventilation mécanique peut être couplée à un pilotage automatique par capteurs de températures ou par gestion horaire, afin de s’activer uniquement lorsque cela est nécessaire.
Variantes technologiques
En parallèle, certains systèmes de VMC double-flux à usage hygiénique utilisent un by-pass au niveau du récupérateur d’énergie, afin de basculer en « mode été » si besoin. La VMC augmente ainsi son débit, bien que ce dernier ne soit généralement pas suffisant pour espérer un rafraichissement important.
Il existe également d’autres systèmes de ventilation mécanique capable de moduler leurs débits d’air, permettant d’assurer les besoins hygiéniques ainsi que la surventilation le cas échant, comme les systèmes de type Volume d’Air Variable (VAV). Cependant, ces systèmes possèdent des inconvénients, car les débits nécessaires pour obtenir une surventilation efficace nécessitent souvent un dimensionnement des gaines et ventilateurs/extracteurs en conséquence, ce qui représente à la fois un coût élevé et un encombrement, pour un réglage de débit souvent complexe.
Enfin, il est important de souligner que la maturité et l’efficacité de ces solutions restent actuellement peu définies. Les dispositifs de surventilation mécaniques constituent des solutions globalement expérimentales ou émergeantes.
La surventilation nocturne hybride combine la ventilation naturelle (par ouverture des fenêtres ou conduits) avec des systèmes mécaniques pour optimiser la circulation de l'air. La composante mécanique intervient pour compléter ou améliorer l'effet de la ventilation naturelle lorsque celle-ci est insuffisante. Elle peut par exemple prendre la forme d’un brasseur d’air.
Les tours à vent sont des structures architecturales verticales qui constituent une solution de ventilation naturelle passive, sans énergie mécanique (voir photos ci-dessous). Historiquement utilisées dans l’architecture perse et moyen-orientale, elles fonctionnent grâce à deux phénomènes physiques :
L’effet éolien : l’air est capté en hauteur quand les vitesses de vent sont plus élevées. La pression du vent pousse l’air vers l’intérieur du bâtiment par les conduits reliés à la tour. Ainsi, l’air intérieur, plus chaud, se retrouve évacué vers l’extérieur par des ouvertures, ce qui renouvelle l’air ambiant.
Le tirage thermique : lorsqu’il n’y a pas ou peu de vent, la tour fonctionne comme une cheminée solaire passive, c’est-à-dire que l’air à l’intérieur de la tour monte à mesure qu’il se réchauffe. Ce mouvement ascendant crée une aspiration de bas en haut, ce qui attire l’air plus frais depuis le bas ou depuis des ouvertures basses et évacue l’air chaud en haut de la tour.
Caractéristiques
La performance d’une tour à vent dépend de plusieurs paramètres :
La hauteur : une tour plus haute capte des vents plus rapides et plus réguliers, augmentant le potentiel de l’effet éolien. Cependant, au-delà d’une certaine hauteur, l’augmentation de ce potentiel devient négligeable voire négatif. La hauteur optimale se situerait entre 6 et 9 mètres (P. Kheirkhak Sangdeh, 2022)
L’orientation par rapport au vent dominant : un flux air qui arrive perpendiculairement à l’ouverture génère plus de pression, et ainsi un meilleur apport d’air dans la tour (WBDG).
Les ouvertures : plus elles sont grandes, plus l’air peut circuler, cependant il existe d’autres paramètres plus complexes, tels que la forme, l’inclinaison et la direction influencent la vitesse de l’air entrant.
L’inertie du bâtiment ainsi que les conditions climatiques locales sont aussi des éléments à prendre en compte, au-delà des caractéristiques propres à la tour. En effet, une étude au sein de la cellule de recherche d’AREP souligne que l’effet de la tour à vent est plus impactant dans un climat chaudtype méditerranéen (sud de la France).
Ces tours peuvent également être couplées à des systèmes d’ouverture et fermeture automatiques en fonction de la vitesse de l’air ainsi que la température extérieure. Un pilotage automatique à partir de la température extérieure est recommandé par les guides techniques, pour les différentes méthodes de ventilation, pour gagner en efficacité et limiter les effets indésirables.
D’autres dispositifs comportent une partie mobile, équipée d’une girouette, permettant d’orienter l’orifice face au vent pour créer une surpression améliorant le tirage. Pour encore améliorer le tirage thermique, il est possible d’ajouter un vitrage en pied de tour afin d’augmenter ponctuellement la température à la sortie des conduits d’extraction, et donc favoriser le tirage.
Une solution émergente
En France, des applications récentes en milieu scolaire témoignent de l’intérêt opérationnel de cette technique, par exemple à Rosny-sous-Bois, où des tours à vent en bois de 11 mètres ont été déployées pour compléter la ventilation dans les salles de classe.
Tours à vent de l'école maternelle des Boutours à Rosny-sous-Bois (Seine-Saint-Denis, 93) - Google Maps
Retours d'expérience
Ventilation naturelle automatisée dans des bâtiments tertiaires par Icade
Sur certains bâtiments de la foncière tertiaire du groupe immobilier Icade, des pilotes techniques des immeubles ont mis en place une ventilation forcée nocturne. Ainsi, entre 2h et 5h du matin, lorsque la température extérieure est plus fraîche que la température intérieure, les verrières, panneaux, patios intérieurs, vélux, s’ouvrent automatiquement pour dégager l’air chaud emmagasiné en journée. La ventilation peut être ainsi programmée par ordinateur. Icade a développé des procédures afin de guider les pilotes techniques dans cette pratique. C’est en revanche plus complexe sur des immeubles plus anciens, de type haussmannien, où il faut gérer les ouvertures manuellement.
Sécuriser la surventilation nocturne : l’exemple d’une école à Rosny-sous-Bois
Pour pratiquer la surventilation nocturne dans le groupe scolaire Mermoz de Rosny-sous-Bois, la ville a installé des barres horizontales en bois aux fenêtres de l’école pour empêcher toutes intrusions. Ainsi, il est possible d’ouvrir les fenêtres la nuit en toute sécurité.
Retours utilisateurs-rices
A Rosny-sous-Bois, l’organisation de la ventilation nocturne n’est pas encore bien définie. Il a été remarqué des difficultés de coordination entre les membres de l’équipe scolaire. Certains ouvraient les fenêtres tandis que d’autres les refermaient juste après. Ainsi, un travail d’organisation et surtout d’appropriation de la surventilation nocturne est à mener lorsque l’on souhaite mettre en place la surventilation nocturne.
Co-bénéfices
Co-bénéfices environnementaux :
Réduction de l’usage de la climatisation et de l’empreinte énergétique/carbone
Co-bénéfices autres :
Confort et santé : améliore la qualité de l’air
Limitation de nuisance sonore (système passif)
Préserve le bâti des dégradations liées à l’humidité
En ville, ventilation au moment où les taux de particules sont les plus faibles dans l’air
Coûts
Le coût varie bien sûr en fonction de la solution choisie :
L’ouverture des ouvrants par les occupants ou gestionnaires du bâtiment a l’avantage d’être une technique complètement gratuite. Néanmoins, il est parfois nécessaire de rajouter des grilles de protection, brises soleils ou autres solutions anti-intrusions …
L’automatisation des horaires d’ouverture des ouvrants implique parfois la mise en place d’un système de Gestion Technique du Bâtiment (GTB) et d’automatisation, ou d’une horloge de réglage des horaires des ouvrants. Si les GTB ou les horloges sont déjà existants, l’action sur les réglages d’exploitation ne coûte rien.
Tous les bâtiments peuvent recourir à la ventilation naturelle pour rafraîchir leur intérieur. En revanche, choisir la technique appropriée nécessite de prendre en compte la nature du bâti, son usage ou encore le climat extérieur. Il est également important de considérer les nuisances extérieures possibles comme le bruit, ou encore la pollution.
Impliquer les usagers
Si la ventilation naturelle unilatérale et transversale semble simple à mettre en place, il paraît important de mobiliser et impliquer les usagers du bâtiment dans la mise en œuvre de cette technique. Une formation sur les enjeux de la ventilation naturelle et l’instauration d’un calendrier d’ouverture peut être nécessaire. Il peut aussi être pertinent de développer un affichage approprié pour guider les occupants et leur rappeler les bons gestes — notamment fermer les fenêtres la journée —, qui ne sont pas forcément ancrés dans les habitudes, surtout dans les régions où les fortes chaleurs sont nouvelles
Attention aux nuisances sonores extérieures
Pour pratiquer la ventilation naturelle sur un site avec un environnement bruyant, il est essentiel de mettre en œuvre des stratégies efficaces pour atténuer les nuisances sonores si le bâtiment est occupé la nuit :
L'utilisation de fenêtres et d'évents acoustiques est une solution clé, car ces dispositifs sont spécialement conçus pour permettre le passage de l'air tout en réduisant les bruits indésirables.
En complément, l'intégration de barrières sonores, telles que des murs, des haies ou des structures anti-bruit, peut significativement diminuer l'impact des sons extérieurs.
De plus, un positionnement stratégique des ouvertures de ventilation est crucial : en plaçant ces ouvertures du côté du bâtiment le moins exposé au bruit, comme sur les façades opposées à la source sonore ou en utilisant des cours intérieures, il est possible de maximiser l'efficacité de la ventilation naturelle tout en maintenant un environnement intérieur calme et confortable.
Limiter les risques de pollution
Bien que la ventilation naturelle puisse être pratiquée sur un site pollué, il est crucial de mettre en place des mesures appropriées pour protéger la qualité de l'air intérieur et la santé des occupants, comme :
Mettre en place une gestion des ouvertures lorsque les niveaux de pollution extérieure sont les plus bas (par exemple, la nuit ou pendant les périodes de faible trafic).
Installer des capteurs pour surveiller la qualité de l'air intérieur et extérieur en temps réel et ajuster la ventilation en conséquence.
Opter pour une approche hybride, combinant ventilation naturelle et mécanique avec des systèmes de filtration.
Enjeux de sécurité
Par ailleurs, la ventilation naturelle impliquant l’ouverture des fenêtres peut poser des risques en matière de sécurité. Afin d’éviter toutes intrusions dans le bâtiment, il est possible d’installer des grilles de sécurité aux étages les plus bas. Mettre en place des occultationspeut également favoriser la sureté du lieu (persiennes laissant passer l’air par exemple).
Pour les dispositifs de surventilation mécanique, une formation des usagers et locataires est envisageable. Le dimensionnement des dispositifs de surventilation, conçu pour assurer des débits d'air conséquents, implique des sections de passage importantes ainsi qu'une gestion plus active des ouvrants.
Installation de moustiquaires
Dans les logements, le risque que des moustiques ou autres insectes entrent par les ouvrants la nuit peut être un frein à la surventilation nocturne par l'ouverture des fenêtres. Une solution simple peut être d'installer des moustiquaires, qui peuvent néanmoins diminuer le débit d'air.
Nécessité d’une inertie thermique minimum
Afin d’être efficace, le bâtiment doit disposer d’un minimum d’inertie thermique au niveau de ses matériaux de construction afin de restituer la fraîcheur de la nuit en journée.
