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La ventilation des maisons

Par le passé, la ventilation des maisons en hiver a été laissée à la circulation naturelle et aux fuites involontaires à travers l'enveloppe du bâtiment. L'aération était suppléée au besoin par le recours à des ventilateurs d'extraction ou par l'ouverture des fenêtres.En général, la ventilation naturelle d'une maison chauffée au combustible est suffisante en hiver pour évacuer la vapeur d'eau produite dans la maison. Elle assure aussi un renouvellement d'air suffisant pour garantir une qualité d'air acceptable. De plus, la dépression produite à l'intérieur de la maison par la cheminée qui aspire l'air vers l'extérieur contribue beaucoup à réduire la condensation dans les murs et les vides sous toit. Par contre, les maisons sans cheminée, celles chauffées à l'électricité par exemple, présentent généralement une humidité relative supérieure et des désordres de condensation plus fréquents.Lorsque les économies d'énergie sont devenues à l'ordre du jour, les fuites d'air par l'enveloppe ont été définies comme une source majeure de pertes de chaleur, et elles ont fait l'objet d'une attention particulière qui a mené à la mise au point de dispositifs d'étanchéité à l'air et de méthodes de construction spéciales.L'acharnement à rendre les maisons de plus en plus étanches a suscite quelques inquiétudes quant à la quantité de fuites d'air et à la ventilation naturelle requises pour la santé et le bien-être des occupants. Ce problème, ajouté au fait reconnu que de nouveaux polluants sont introduits dans les locaux par les matériaux de construction, les meubles et les activités des occupants, renforce le besoin d'une ventilation réglable dans les maisons et de mesures spéciales pour l'élimination de certains polluants.La reconnaissance du rôle de la ventilation pour la qualité de l'air a également attiré l'attention sur les possibilités de récupérer la chaleur de l'air circulé, de façon à optimiser les économies d'énergie.Cet article passe en revue les facteurs qui influent sur les fuites d'air dans les maisons, ainsi que le rôle de ces fuites en matière de condensation et de ventilation. Il analyse certains systèmes de ventilation dans un contexte canadien, en fonction des exigences de qualité de l'air et de régulation de l'humidité et formule quelques suggestions en ce qui à trait à la récupération de la chaleur.

FUITES D'AIR À TRAVERS L'ENVELOPPE DES MAISONS

Le débit d'un fluide à travers un trou ou une ouverture est proportionnel à la surface d'ouverture et à la différence de pression (ou charge) maintenue de part et d'autre de l'orifice. Plus l'ouverture est grande, plus l'écoulement est important; plus la différence de pression est élevée, plus le débit est rapide.L'étanchéité à l'air globale de l'enveloppe n'est donc qu'un des éléments de l'équation des fuites d'air. Le débit d'écoulement, ou taux de renouvellement, de l'air, ne dépend pas seulement des dimensions et du trajet de fuite, mais aussi de l'ampleur et de la direction de la pression exercée.La méthode de mise en dépression pour évaluer les caractéristiques d'écoulement d'air de l'enveloppe suscite de plus en plus d'intérêt. Cette méthode consiste à utiliser un puissant ventilateur d'extraction qui aspire l'air par les points de fuite de l'enveloppe et l'évacue à l'extérieur (figure 1). A la figure 1, comme dans les schémas qui suivent, une flèche droite indique la pression d'air, et une flèche incurvée et large montre l'écoulement d'air.

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figure 1

           Ce type d'essai ne fournit qu'une application de l'équation des fuites d'air pour déterminer la surface de fuite équivalente à l'ensemble des fuites par les murs, les fenêtres, le plafond et le plancher.La marche à suivre la plus courante pour déterminer le débit de fuite d'air consiste à utiliser un ventilateur à grand débit et à vitesse réglable pour évacuer l'air de la maison. Le débit du ventilateur est mesuré, ainsi que la différence de pression de l'air correspondante des deux côtés de l'enveloppe. Les essais couvrent généralement une plage de différences de pression allant de 10 à 50 Pa et plus.Les débits d'air mesurés pour chaque différence de pression servent à tracer une courbe caractéristique. La surface de fuite équivalente est calculée d'après le débit d'air nécessaire pour créer une différence de pression donnée de part et d'autre de l'enveloppe; on utilise généralement une différence de pression de 10 Pa.Les résultats de nombreux essais effectués d'un bout à l'autre du pays ont été résumés par Jim White, de la SCHL, dans un article récent. 1 Les données recueillies indiquent une grande variation des surfaces de fuite selon les habitations et selon les régions, de 28 cm 2 à 2 780 cm2 c'est-à-dire des ouvertures globales d'environ 5 cm x 5 cm jusqu'à 50 cm x 50 cm (figure 2).

      figure 2         

Fuites d'air dues au vent

Le volume d'écoulement d'air attribuable au vent peut être évalué à l'aide d'un simple modèle bidimensionnel, par exemple pour une maison centrale dans une série de maisons en bande (Figure 3)

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figure 3

  Lorsque la vitesse moyenne du vent est de 16 km/h, une pression d'environ 10 Pa peut s'exercer sur l'intérieur du mur du côté au vent, tandis qu'une pression égale est appliquée contre la face intérieure du mur sous le vent. Si les orifices de ventilation de toit ont la même surface sur les côtés au vent, aucune différence de pression soutenue n'est produite par le vent de part et d'autre du plafond. Dans ce cas, la totalité de l'écoulement ou presque se fait vers l'intérieur à travers le mur exposé au vent, et un écoulement semblable se produit vers l'extérieur par le mur sous le vent.Si on suppose également que les ouvertures de fuite sont réparties uniformément dans le mur et le plafond et que le mur et le plafond ont la même superficie, on peut évaluer à environ 1,7 L/s le débit d'air de la maison la plus étanche et à 170 L/s le débit de l'habitation la moins étanche. Pour des maisons de grandeur moyenne, ces débits représentent 0,01 renouvellement d'air par heure pour la maison la plus étanche, et 1 renouvellement d'air par heure pour la moins étanche.

Fuites d'air dues à l'effet de tirage de la maison

Des fuites d'air naturelles surviennent par effet de tirage chaque fois que la température extérieure est inférieure à celle de la maison (figure 4). Si nous supposons de nouveau que les ouvertures de fuite sont uniformément réparties dans les murs et le plafond, un effet de tirage de 10 Pa au milieu de l'hiver produirait un débit d'infiltration d'environ 1 litre par seconde pour la maison étanche et de 100 litres par seconde pour la maison la moins étanche.

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figure 4

Pour des maisons de grandeur moyenne, ces débits représenteraient 0,003 renouvellement d'air pour la maison la plus étanche, et environ 0,66 renouvellement d'air pour la moins étanche.

Fuites d'air dues aux cheminées

Dans les maisons équipées d'une installation de chauffage à combustible, l'effet de tirage créé dans la cheminée lorsque l'appareil est en marche est bien supérieur à celui créé par la maison, parce que la température dans la cheminée est beaucoup plus élevée. L'aspiration d'air et de gaz par la cheminée (figure 5) et la dépression provoquée à la base de la cheminée sont proportionnelles à la différence de température entre les gaz de combustion et l'air extérieur

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 figure 5

Un foyer ou un générateur d'air chaud au mazout peuvent avoir un tirant théorique de plus de 50 Pa à la température extérieure de -30 ° C, et de plus de 35 Pa à une température extérieure de 15 ° C. Les gaz de combustion d'un générateur d'air chaud à gaz muni d'une hotte de tirage sont à une température moins élevée, de sorte que par temps doux, le tirant théorique peut atteindre entre 25 et 30 Pa. S'il y a une résistance à l'écoulement d'air, la température dans le conduit de fumée augmente, et une dépression de plus de 30 Pa peut théoriquement se produire par temps doux en hiver avant qu'il y ait refoulement de produits de combustion dans la maison.Le débit d'air requis pour la combustion et le tirage dans la cheminée varie d'un maximum d'environ 200 litres par seconde pour un foyer à feu ouvert (sans portes devant l'âtre) à un minimum de 5 litres par seconde pour un poêle a bois à combustion lente, en passant par 70 litres par seconde pour un générateur d'air chaud au mazout muni d'un registre barométrique.Dans le cas d'une maison moyenne, ceci représente 1,3 renouvellement d'air par heure pour le foyer, 0,5 renouvellement d'air par heure pour le générateur d'air chaud au mazout et 0,03 renouvellement d'air par heure pour le poêle à bois à combustion lente (figure 6). Une sécheuse à gaz ou électrique ventilée évacue de l'air à raison d'environ 60 litres par seconde, soit l'équivalent de 0,4 renouvellement d'air par heure. Elle crée ainsi une dépression et des conditions d'infiltration d'air semblables à celles produites par une cheminée en service.

figure 6

Fuites d'air et condensation dans les murs et les toits

La quantité d'air extérieur s'infiltrant dans la maison est l'un des principaux facteurs qui déterminent le niveau d'humidité à l'intérieur de celle-ci, mais c'est l'air qui fuit vers l'extérieur qui transporte de la vapeur d'eau dans les vides froids des murs et du toit. La circulation de vapeur d'eau par diffusion se fait toujours vers l'extérieur en hiver, mais la vapeur d'eau transportée par les fuites d'air peut circuler vers l'intérieur ou vers l'extérieur.Dans une maison sans cheminée ni ventilateur d'extraction, le vent fait pénétrer de l'air à travers le mur exposé et en fait sortir à travers le mur sous le vent; il a peu d'effet sur la circulation d'air à travers le plafond. On pourrait donc s'attendre à ce que, sous la seule action du vent, de la condensation se forme dans le mur du côté abrité.Lorsque la température de l'air extérieur est inférieure à celle de l'air intérieur, l'effet de tirage favorise les fuites d'air vers l'extérieur à travers le plafond et la partie supérieure des murs. Dans ces conditions, on s'attend à ce que de la vapeur se condense en partie supérieure des murs et dans le vide sous toit.Dans le cas des toits en pente avec comble, cet air humide peut se mélanger à l'air admis par les ouvertures de ventilation. Dans le cas des toitures-terrasses avec vide sous toit très réduit, l'air humide qui fuit par une ouverture dans le plafond entre immédiatement en contact avec le support de couverture froid, et la vapeur s'y condense sans avoir eu la possibilité de se mélanger avec l'air du vide sous toit. Dans les deux cas, le débit d'évacuation d'humidité à l'extérieur par l'air traversant le vide sous toit sera très limité par temps froid en raison de la faible différence de pression de vapeur entre le givre du comble et l'air qui y circule.Dans les maisons avec cheminée, le tirage de celle-ci tend à diminuer la pression à l'intérieur du bâtiment, de sorte que dans la plupart des circonstances, la circulation d'air se fait vers l'intérieur à travers tous les murs et vers le bas à travers le plafond. 2 L'air qui s'infiltre dans la maison finit par être évacué avec les produits de combustion par la cheminée.Le tirage de la cheminée augmente aussi le renouvellement d'air global de la maison, ce qui diminue l'humidité dans les locaux et donc le point de rosée de l'air intérieur et la quantité de vapeur d'eau entraînée par les fuites d'air. Voilà les raisons pour lesquelles l'humidité est généralement moins élevée dans les maisons chauffées au combustible, où les problèmes de condensation dans les vides sous toit sont habituellement moins graves que dans les maisons chauffées à l'électricité ou d'autres maisons sans cheminée. 3Des ventilateurs d'extraction peuvent servir, dans les maisons sans cheminée et dont l'enveloppe ne peut être rendue plus étanche, à inverser ou du moins à réduire l'écoulement d'air chaud et humide intérieur vers les zones froides de l'enveloppe.4

Fuites d'air et ventilation

Les occupants de la maison consomment de l'oxygène et dégagent du dioxyde de carbone (CO2) à un débit qui augmente selon l'activité. Si on présume qu'il y a un mélange efficace, un minimum théorique d'environ 1,5 litres par seconde par personne est nécessaire pour maintenir la concentration de dioxyde de carbone à un niveau non dangereux pour les personnes au repos. Si l'activité augmente et pour éliminer les odeurs corporelles, un minimum d'environ 2,5 litres par seconde a été recommandé par le passé; on suggère actuellement un débit de ventilation de 5 litres par seconde pour évacuer les odeurs et les polluants ordinaires.La norme ASHRAE 62-1981 5 recommande pour les usages d'habitation un débit de ventilation continu de 5 litres par seconde par pièce, ainsi qu'une capacité d'extraction occasionnelle de 25 litres par seconde pour chaque salle de bain et de 50 litres par seconde pour la cuisine. On obtient ainsi une capacité d'extraction globale de 75 litres par seconde, soit l'équivalent de 0,5 renouvellement d'air par heure pour une maison de grandeur moyenne. Le même taux de renouvellement d'air a été proposé pour la nouvelle édition du Code national du bâtiment du Canada. Comme nous l'avons vu précédemment, la maison la plus étanche ne peut fournir ce débit de ventilation même lorsqu'il y a du vent et que l'effet de tirage est à son maximum.La maison la moins étanche fournira trop de ventilation sous l'action du vent et du tirage, et trop peu en l'absence de ces éléments. Donc, même si on décidait de rendre une maison moins étanche, on ne serait pas assuré d'obtenir une ventilation adéquate.

Ventilation et qualité de l'air

Il existe deux méthodes fondamentales de ventilation pour assurer la qualité de l'air. La plus courante et la plus reconnue est la méthode de dilution, appliquée dans les cas où la source de contaminants n'est pas fixe (figure 7). Une quantité suffisante d'air frais est admise dans la pièce et se mélange à l'air ambiant pour être ensuite évacuée.

figure 7

Si la source de contaminants peut être isolée, on peut utiliser la deuxième méthode de ventilation (figure 8). Celle-ci consiste à intercepter le contaminant et à l'évacuer avant qu'il puisse atteindre les locaux habités. C'est la méthode utilisée par les hottes de cuisinière et pour l'évacuation des appareils à combustibles. Les produits de combustion sont captés à la source et évacués par la cheminée avec l'air de tirage.

     figure 8

Une version modifiée de la méthode de dilution consiste à recycler et à traiter l'air en le faisant passer dans un appareil (figure 9) qui le débarrasse des odeurs et des contaminants nuisibles; l'air purifié est ensuite réintroduit dans les pièces. Un exemple courant de cette méthode est la recirculation de l'air intérieur qui a été traité par un filtre et un climatiseur.

  figure 9

Ventilation et humitité

Les mêmes principes de ventilation peuvent être utilisés pour limiter l'humidité. En hiver, l'introduction d'air plus froid et plus sec dans les locaux sert à diluer la vapeur d'eau, qui est absorbée par le mélange plus sec. Le nouveau mélange est ensuite évacué par la cheminée, au moyen d'un ventilateur d'extraction ou par exfiltration à travers l'enveloppe de la maison. Le débit d'évacuation de vapeur d'eau obtenu à l'aide de cette méthode dépend de la teneur en eau de l'air extérieur et du débit de sortie de l'air des pièces vers l'extérieur.Si on suppose que le débit de renouvellement d'air est de 75 litres par seconde (soit l'équivalent du débit maximal de ventilation recommandé pour assurer la qualité de l'air), on peut déterminer la capacité d'évacuation de vapeur d'eau pour des conditions extérieures données à l'aide du diagramme psychrométrique.Dans les conditions quotidiennes moyennes de janvier à Toronto, 1,04 kilogrammes de vapeur d'eau à l'heure peut être évacué à un débit d'air de 75 litres par seconde. Si on considère la production de vapeur d'eau présumée d'une famille de quatre personnes, ce débit d'évacuation pourrait maintenir le degré d'humidité au-dessous de 30 p. cent.Par contre, à l'automne, la capacité d'évacuation de la vapeur d'eau de l'air de ventilation commence à zéro, tandis que le débit de production est à son plus haut en raison de la libération de l'eau contenue dans les meubles et les matériaux de construction. Une autre façon de limiter l'humidité consiste à utiliser la deuxième méthode de ventilation, c'est-à-dire le captage à la source et l'évacuation au moyen des ventilateurs d'extraction aux endroits où la production de vapeur est élevée tels que la salle de bain et la cuisine. C'est également le principe utilisé par les sécheuses automatiques, qui utilisent l'air ambiant pour absorber la vapeur d'eau des vêtements et l'évacuer à l'extérieur.Un troisième moyen consiste à utiliser un appareil qui extrait la vapeur d'eau de l'air par absorption ou condensation et rend l'air asséché aux locaux. Le déshumidificateur intérieur est l'exemple type de ce genre d'appareil. Son efficacité est très réduite lorsque l'humidité relative intérieure est inférieure à 40 p. cent. Par contre, il peut être utile aux endroits où une humidité relative de 40 p. cent est acceptable et où une humidité supérieure prévaut occasionnellement. De plus, l'utilisation d'un déshumidificateur pendant l'été permet de réduire la quantité de vapeur d'eau absorbée par les éléments et les meubles de bois, diminuant ainsi le problème d'humidité à l'automne.

Systèmes de ventilation

Il existe essentiellement trois systèmes de ventilation : celui qui utilise des ventilateurs d'extraction et des prises d'air pour maintenir la pression de l'intérieur au-dessous de la pression extérieure; le système équilibré, qui comporte des ventilateurs d'alimentation et d'extraction, et qui maintient la pression intérieure à peu près au même niveau que la pression extérieure; enfin, le système de mise en surpression, dont les ventilateurs d'alimentation en air extérieur conservent la maison à une pression supérieure à la pression extérieure.Le système d'extraction offre peut-être la façon la plus simple d'assurer la régulation de la ventilation tout en réduisant la condensation dans les murs et les vides sous toit (figure 10).

figure 10

Un seul ventilateur d'extraction peut évacuer 75 litres par seconde, soit le débit exigé pour la cuisine et la salle de bain, l'air d'appoint étant aspiré à travers les points de fuite de l'enveloppe ou, dans le cas des maisons étanches, par des ouvertures spéciales d'admission d'air frais de l'extérieur, pratiquées aux endroits appropriés. Un ventilateur d'extraction centrifuge central tel que décrit à la norme CSA C260.2-1967 7 dispose de la puissance appropriée à ce type d'application.L'idéal serait une enveloppe aussi étanche que possible avec prises d'air munies de volets réglables au niveau des fenêtres ou au-dessus des appareils de chauffage périphériques, dans chaque pièce où l'air frais doit être admis. Si l'enveloppe de la maison est assez étanche, une très grande partie de l'air frais est aspiré par ces ouvertures. Ce type d'installation ne nécessite pas de réseau spécial de distribution d'air pour la ventilation.Dans le cas d'une maison équipée d'une installation de distribution d'air chaud, un seul orifice d'admission suffit pour fournir de l'air extérieur au circuit de reprise d'air de l'installation. Cet orifice doit être dimensionné ou être équipé d'un registre ou d'un diaphragme de mesure de manière à fournir le débit exigé en fonction des caractéristiques de fuite d'air de la maison en question.L'un ou l'autre de ces systèmes pourrait incorporer une prise ou un conduit d'admission d'air distinct pour la ventilation des appareils tels que le générateur d'air chaud à combustible.Un système équilibré (figure 11) exige un ventilateur d'alimentation en plus d'un ventilateur d'extraction et, pour les maisons sans installation de recirculation d'air chaud, un réseau de distribution qui achemine l'air admis par le réseau d'alimentation dans les pièces, au besoin après qu'il ait été chauffé et conditionné.

figure 11

Dans certains cas, un ventilateur d'alimentation peut constituer à lui seul un système de mise en surpression (figure 12). L'air de la maison en surpression s'évacue vers l'extérieur par toutes les ouvertures de l'enveloppe du bâtiment. Ces fuites d'air risquent d'augmenter la condensation dissimulée, mais ceci peut être évité en augmentant l'étanchéité de l'enveloppe ou en posant un revêtement isolant.

figure 12

Ce type de système convient bien dans les cas où il y a un polluant, tel que la mousse isolante d'urée-formol, dans les murs extérieurs. Le maintien de la maison en surpression empêche l'infiltration dans les locaux habités de gaz ou de polluants provenant de l'enveloppe.

Récupération de chaleur

En hiver, la chaleur se perd uniquement par l'évacuation de l'air. Tout système de récupération de chaleur doit donc d'abord acheminer l'air à évacuer vers un point central. Ce principe est à la base du système de ventilation par extraction (figure 13). Une petite pompe à chaleur pourrait être utilisée pour extraire la chaleur de l'air à évacuer et la restituer soit au système de chauffage des locaux soit au réseau d'eau chaude sanitaire.

figure 13

Lorsqu'un échangeur de chaleur air-air est utilisé (figure 14), l'air d'alimentation doit être acheminé vers le même point central que l'air extrait de façon que la chaleur puisse se transmettre de l'un à l'autre.

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   figure 14

La quantité de chaleur de l'air extrait peut être déterminée à l'aide du diagramme psychrométrique et comparée à la quantité que contient l'air extérieur dans des conditions quelconques. Pour un débit donné et en supposant que les conditions soient les conditions moyennes pour la saison de chauffe, il est possible d'évaluer la consommation d'énergie saisonnière. La quantité de chaleur récupérée dépendra, bien sûr, de l'efficacité du dispositif de récupération.RésuméUn débit de ventilation continu d'au moins 35 litres par seconde est recommandé pour maintenir la qualité de l'air dans les maisons dans des conditions normales. Une capacité de 75 litres par seconde ou plus devrait être prévue pour réduire à l'occasion l'humidité ou évacuer les polluants. Comme il est impossible de se fier aux forces naturelles pour assurer ces débits en toutes circonstances, le recours à un système de ventilation mécanique est souhaitable.On peut optimiser la régulation des débits de ventilation et la récupération de chaleur en s'assurant que l'enveloppe de la maison est la plus étanche possible, et en prévoyant des orifices réglables d'admission et d'extraction aux bons endroits, ainsi que des ventilateurs d'extraction, d'alimentation, ou les deux, dont la puissance convient bien à la maison et au système de ventilation utilisé.S'il n'est pas possible de rendre l'enveloppe étanche, le système d'extraction, en plus d'être le plus simple, offre certains avantages en termes de récupération de la chaleur et de limitation de la condensation. Il ne convient pas lorsque l'enveloppe contient des polluants.Les stratégies de limitation de l'humidité pour une région donnée dépendent des conditions climatiques de celle-ci, notamment des cycles saisonniers et quotidiens. La condensation de surface dépend largement des variations quotidiennes de climat et d'occupation, alors que les problèmes de condensation dissimulée sont davantage lies aux variations saisonnières et aux conditions moyennes pour le mois ou la semaine.C'est à l'automne que la ventilation est la moins efficace pour éliminer l'humidité, car la capacité de séchage de l'air extérieur est à son minimum, et la vapeur d'eau qui émane des matériaux de construction et des meubles vient s'ajouter à celle produite par les occupants.En réduisant l'humidité relative de la maison en été à l'aide d'un climatiseur ou d'un déshumidificateur, on diminue la teneur en eau des matériaux intérieurs et donc le dégagement de vapeur d'eau en automne et en hiver.

Sources : CNRC, Conseil National de Recherches Canada

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