J’ai reçu hier le message suivant : « Bonjour Pascal, je m’appelle Benoit et j’habite en colocation à Toulouse. En ce moment, il fait très chaud, et comme il n’y a pas assez de courants d’air dans notre appartement, je suis allé acheter un ventilateur. Je l’ai installé sur la fenêtre et je le laisse fonctionner toute la journée pour refroidir l’appartement. Voici ma question : est-il est plus efficace  que je tourne le ventilateur vers l’intérieur (pour souffler du vent frais vers l'intérieur) ou bien vers l’extérieur (pour rejeter l'air chaud vers l'extérieur) ? Merci de ton aide, merci pour tes articles et à bientôt. » Et bien, cher Benoit, je vais profiter de ta question pour décrire quelque phénomènes thermiques. Et ainsi, j'en arriverai à répondre à la question « Comment se servir efficacement d'un ventilateur ? »

 

Un ventilateur (ou une climatisation) pour rafraîchir ?

Reprenons dès le début. Benoit a trop chaud. Spontanément, d'après ce qu'il décrit, il a cherché à diminuer la température de sa chambre. C’est fort compréhensible : nous avons intégré depuis la plus tendre enfance que, si on a trop chaud, c'est parce que la température est trop élevée. C'est même ce qu'on nous dit à la météo, après le journal télévisé ! Pour cette raison, Benoit achète le ventilateur en imaginant extraire l’air trop chaud de sa chambre. Il fait ainsi quelques hypothèses, que voici :

• Je me sentirai mieux si je diminue la température de la chambre.
• C’est en renouvelant l’air de la chambre que je parviendrai  à en diminuer la température.
• Mon ventilateur est un objet efficace pour renouveler l'air de la pièce.

Examinons ces hypothèses attentivement...

 

1/ La température globale de la chambre influe sur le confort

Il est très courant de considérer que la température est LE facteur qui détermine notre confort thermique. En cas d'inconfort (trop chaud ou trop froid), spontanément, notre premier élan est bien souvent d’ajuster la température, soit avec du chauffage, soit avec de la climatisation. Néanmoins, la thermique humaine nous enseigne que la température de l’air n’est qu’un des six facteurs qui déterminent notre confort thermique global. Dit autrement, cela signifie qu’il y a 5 autres possibilités d’influer sur notre environnement proche pour modifier une sensation thermique insatisfaisante.

 

2/ Le renouvellement d’air va nous permettre de refroidir la chambre

Benoit nous dit qu'il espère "sortir l'air chaud et faire entrer de l'air frais". Ce dont on peut être sûrs, c’est qu'un renouvellement d’air, est un échange d'air entre deux espaces. Ainsi, de l’air extérieur à une certaine température est introduit dans la pièce, et y remplace la même quantité d’air. Si l’air extérieur est plus chaud que l'air intérieur, alors la température de la pièce va logiquement augmenter. A l’inverse, si la pièce est plus chaude que l’extérieur, l'air extérieur contribuera à la refroidir.

Il est donc clair que l’efficacité de la méthode dépend essentiellement de l’écart de température entre l’intérieur et l’extérieur. Dans la journée, il est courant que l’air soit plus chaud à l’extérieur que dans le logement. Il serait donc absurde de tenter de l'utiliser pour refroidir la pièce. Cela ne ferait, au contraire, qu’augmenter un peu plus la température. A l’inverse, la nuit, l’air extérieur est souvent plus frais qu’à l’intérieur. C'est donc souvent le bon moment pour prendre de l’air extérieur et rafraîchir l'ambiance.

 

 3/ Un ventilateur est un outil adapté pour renouveler l’air d’une pièce

Sans entrer dans les détails techniques on peut noter que le ventilateur se caractérise par la quantité d'air qu’il brasse. Cette quantité (son débit) est fonction de deux paramètres :

• La vitesse de l’air : plus la vitesse est grande, plus le débit sera important.
• La surface du ventilateur ou du conduit dans lequel l’air se déplace : plus la surface sera grande, plus le débit sera important.

De manière un peu plus précise, on peut mettre la formule : débit (m³/s) = vitesse (m/s) x surface (m²) Grosso modo, pour un même débit, il y a donc deux stratégies :

1. Choisir une vitesse rapide. C'est le cas des modèles disponibles dans les grandes surfaces en période de canicule. D'une surface restreinte, ils déplacent l’air à une vitesse importante. Leur inconvénient : souvent plutôt bruyants, et énergétiquement peu efficaces.
2. Choisir une surface élevée (et donc une vitesse lente). C'est plutôt le cas des machines d'extraction et de ventilation, pour lesquelles on recherche une faible consommation par rapport au débit déplacé.

La stratégie de Benoit repose sur une vitesse rapide, qu'il espère utiliser pour déplacer des masses d'air. Voici donc les hypothèses retenues par Benoit pour justifier la solution technique qu’il a adoptée. C'est le moment pour nous de reprendre à la base le processus de Design Énergétique, en remontant aux sources du problème.

 

Resoudre le problème de Benoit, en trois étapes

Refroidir Benoit

Comme je l’ai déjà expliqué ici, notre culture nous amène à "extraire l’humain" des problèmes énergétiques. L'humain est pourtant toujours à l'origine du problème : Benoit nous dit qu’il a trop chaud. Avoir trop chaud est une chose différente que de considérer qu’une pièce a une température trop élevée. Avoir trop chaud est une sensation.

Mesurer une température trop élevée est une mesure objective. Une description plus précise de la demande de Benoit serait donc : Benoit souhaite avoir un ressenti plus frais. Le fait de recentrer le problème sur le besoin de Benoit nous permet de questionner la première hypothèse qu’il a retenue.

En effet, nous nous intéressons maintenant à un problème de sensation thermique, et non pas au simple problème de réduction de la température d’un local. On passe d'un problème ne laissant qu'un paramètre d'action à un problème en ayant six !

En l’occurence, Benoit a acheté un ventilateur rapide. Ça tombe bien : parmi les 6 paramètres de confort thermique humain, on trouve la vitesse de déplacement de l’air !

 

Source - ASHRAE

 

Le graphique ci-dessus illustre une manière de relier la température ressentie à la température "sèche" en fonction de la vitesse d'air. Par exemple, une vitesse d'air de 120 m/min (soit 7,2 km/h) à 15°C provoque un ressenti équivalent à 10°C. Ainsi, le grand intérêt d’un tel ventilateur est de créer une vitesse d’air importante et de largement diminuer la température ressentie en accentuant les phénomènes de convection et d’évaporation sur le corps de Benoit.

Corollaire de cette observation : quand Benoit n’est pas là, il n’y a plus de problème « Benoit a trop chaud ». Une pièce trop chaude dans laquelle personne ne se trouve ne dérange personne. Il n’y a à priori aucun besoin de la refroidir, si ce n’est pour anticiper un éventuel retour des occupants. Conclusion préliminaire : le meilleur usage du ventilateur de Benoit est donc de ventiler Benoit et non de ventiler la pièce. On peut accentuer l’effet en ajoutant une composante évaporative. On le réalise facilement en mettant un linge humide devant le ventilateur (refroidissement de l'air soufflé) ou encore mieux... sur Benoit.

 

Refroidissons (sans climatisation) l'ambiance en renouvelant l'air

Je vous ai dit que la température de l’air n’est peut-être pas le paramètre le plus efficace pour résoudre rapidement le problème de Benoit. On ne peut néanmoins pas dire que ce soit un paramètre sans effet. Il est donc important de considérer de quelle manière on peut faire diminuer cette température ambiante dans la chambre de Benoit.

Il est très courant, dans le bâtiment, d’utiliser l’air malgré sa faible capacité thermique pour refroidir l’ambiance. On le fait en général quand l’air extérieur est plus frais que l’air intérieur, c’est à dire la nuit. Le bon sens, pratiqué par de nombreuses personnes, veut donc qu’on ouvre les fenêtres la nuit afin de favoriser les convections. L’air frais de l’extérieur remplace alors l’air chaud de l’intérieur, refroidissant du même coup la structure du bâtiment.

Corollaire : lorsque l'air extérieur est plus chaud que l'air intérieur... on le laisse dehors en fermant les fenêtres !

Notons que ce n’est pas toujours possible ou facile d'aérer la nuit pour une série de raisons : les craintes d’effraction, le bruit, l’entrée des moustiques, le déclenchement d'une alarme, etc. Il faut également noter que dans un appartement comme celui de Benoit, non traversant, la convection peut être rendue difficile. Il y a trop de perte de charges pour que l’air puisse traverser. Cela vaut donc le coup de se poser la question suivante : et si je rajoute un ventilateur, est-ce que ça marche mieux?

 

La légende du moteur invisible

L’enjeu global est donc, dans ces situations, d’extraire un maximum d’air de l’intérieur pour l’envoyer à l’extérieur. Il y aura malheureusement peu de réponse générale pour résoudre ce problème. Chacun devra s’adapter en fonction de la configuration de son logement ou de son bâtiment. Mais il y a un grand principe à connaitre : l’air se déplace et traverse un bâtiment sous l’action d’un moteur. Il faut une force pour le faire avancer, se déplacer d’un endroit à l’autre. Il y a trois sortes de moteurs :

• Un moteur naturel vertical, le tirage thermique. Les masses d’air chaudes ont tendance à monter. Ainsi, si dans un local, il y a une ouverture en bas et en haut, il y aura un flux d'air naturel, si l’air extérieur est plus frais. L’air chaud de la pièce va monter, sortir par la sortie haute et être remplacée par de l’air frais qui entre par l’entrée basse. On a donc tout intérêt, dans les logements, à ouvrir un ouvrant le plus bas possible et à ouvrir un ouvrant le plus haut possible et à fermer les ouvrants intermédiaires. On maximise ainsi le tirage thermique et le balayage.
• Un moteur naturel horizontal, le vent sur les parois. Le vent qui frappe sur une surface créé une surpression tandis que de l’autre coté du bâtiment, il y a une dépression. Si on a une ouverture de chacun des deux cotés, il se crée alors un courant d’air, avec des débits parfois très importants qui permettent de rafraîchir. Un petit calcul peut nous permettre d’avoir une idée des débits impliqués.
• Des moteurs mécaniques : ventilations, extractions, etc.

 

Schéma classique de ventilation - source Aldes

 

Les deux premiers moteurs, s’ils sont possibles, amènent tout de suite des débits très importants. Pour mémoire, une vitesse d'air de 1 m/s à travers une fenêtre de 1 m² représente un débit de 3600 m³/h. Cela représente un "vent" de 3,6 km/h, pas vraiment une tornade. Et l'air d'une pièce de 20 m³ (la chambre de Benoit) sera renouvelé 180 fois par heure. En langage de "fluidiste", c'est une ventilation à 180 vol/h. Le choix est donc simple :

• Soit les tirages naturels transversaux ou verticaux sont possibles. Alors, c’est probablement la solution la plus efficace à utiliser.
• Soit ils sont impossibles, par exemple dans un logement non traversant et comprenant qu’une seule fenêtre, comme la chambre d’étudiant de Benoit. Alors on peut s’aider d’un ventilateur que l’on utilisera en extracteur.

Pourquoi en extracteur ? Afin de diminuer les pertes de charges.

On tourne le ventilateur vers l’extérieur, l’air peut librement sortir par la fenêtre et sera remplacé par de l’air entrant par on ne sait où. Le principal problème de cette technique, néanmoins, est qu’on ne sait pas par où l’air rentre. On ne sait pas d’où il vient, et il n’y donc pas moyen de mesurer la réelle efficacité.

J’aurais donc tendance à penser que dans l'immense majorité des cas, il est plus intelligent de ventiler le bonhomme plutôt que de ventiler la pièce. Ce n’est pas pour rien que les extracteurs d’air sont fabriqués d’une certaine manière et sont, en général, associés à un réseau d’extraction étanche que l’on installe désormais dans des locaux étanches. Cela permet de maitriser les flux d’air et ainsi de garantir qu'il y ait un réel renouvellement.

 

 

Conclusion 

Malgré les quelques digressions un peu théoriques que nous avons faites, voici donc la réponse que je peux faire à Benoit :

Cher Benoit, si tu as trop chaud, alors le problème est bien de te refroidir TOI, et non de refroidir la pièce dans laquelle tu te trouves. Le meilleur usage que tu peux faire de ton ventilateur, c’est donc de te ventiler toi-même. Tu peux augmenter l’effet rafraichissant en utilisant l’évaporation, en utilisant un dispositif type brumisateur : tu peux t’habiller avec un tee-shit mouillé. Mais d’une manière générale, tous les phénomènes se produisent sur ton corps. Tu veux rafraichir ton corps. Le nudisme est également une bonne solution. Je te suggère également de retenir les deux grands principes de circulation d’air dans les locaux (verticalement par tirage thermique et transversalement par création de « courants d’air ») afin de voir si dans ta configuration particulière, cela est possible. Pour conclure, j’aimerais rappeler qu’il existe un livre un petit peu ancien, intitulé « Fraicheur sans clim ».

Il liste l’ensemble des dispositifs permettants de rafraîchir une ambiance sans avoir recours à cette absurdité (dans la plupart des cas) en France qu’est la climatisation. J’ai l’habitude de dire qu’en matière de Design Énergétique, un local non tertiaire climatisé en France est forcément un local mal conçu. Si vous pouvez le trouver, je vous recommande donc ce livre.

 

Restez frais et n’hésitez pas à partager dans les commentaires, les trucs et techniques qui vous permettent de mieux gérer les situations de canicules.  

 

Le sujet de la surchauffe vous intéresse ?
Pour savoir comment rafraîchir vos locaux / bâtiments,
téléchargez l'e-book "7°C de moins sans clim et sans travaux"