Infiltration et renouvellement d'air

Un local perd de la chaleur par ses parois, mais aussi par l'air qui le traverse. Une partie de cet air est voulue : c'est la ventilation. L'autre passe par les défauts de l'enveloppe : c'est l'infiltration. Ce chapitre explique pourquoi l'air entre, comment on mesure l'étanchéité d'un bâtiment à la porte soufflante et ce que coûte chaque mètre cube d'air renouvelé.

18.1 Pourquoi l'air entre

L'air ne traverse une paroi que s'il existe un écart de pression entre ses deux faces. Trois moteurs créent cet écart, et ils s'additionnent.

Le vent

Une façade au vent est en surpression, les façades sous le vent et la toiture le plus souvent en dépression. La pression locale vaut Δp = C_p · ρ v² / 2, où C_p est un coefficient de pression qui dépend de la forme du bâtiment et de l'orientation du vent. L'air entre par la face au vent et ressort par les autres.

Le tirage thermique

En hiver, l'air intérieur est plus chaud, donc plus léger, que l'air extérieur. La colonne d'air chaud pousse vers le haut : le bas du bâtiment aspire de l'air froid, le haut rejette de l'air chaud. C'est l'effet cheminée, détaillé en 18.6.

Les ventilateurs

Une ventilation mécanique qui extrait plus d'air qu'elle n'en souffle met le logement en dépression : l'air qui manque arrive par les entrées d'air et par les fuites.

La chaleur sensible que cet air emporte se calcule comme au chapitre 1 ; sa part latente, en été, se lit sur le diagramme de l'air humide du chapitre 2. L'isolation d'une paroi (chapitre 5) ne dit rien de son étanchéité : une paroi très isolée peut fuir beaucoup si la membrane qui la ferme est percée.

18.2 La loi de fuite

Une enveloppe compte des milliers de petites fuites : jonctions de menuiseries, passages de gaines, boîtiers électriques, trappes. On les remplace par une loi globale qui relie le débit d'air traversant l'enveloppe à l'écart de pression qui le pousse :

q = C · Δpⁿ (q en m³/h, Δp en Pa)

Le coefficient de fuite C donne la taille des fuites ; l'exposant n dit leur nature. Dans une fente longue et fine, l'écoulement est laminaire et le débit croît comme la pression : n = 1. Dans un orifice franc, l'écoulement est turbulent et la pression croît comme le carré de la vitesse, comme dans les singularités du chapitre 9 : n = 0,5. Une enveloppe mélange les deux, et l'on trouve presque toujours n entre 0,5 et 1, souvent autour de 0,65.

L'exposant compte beaucoup, car les pressions d'usage sont faibles. Avec la loi mesurée en 18.4, la maison laisse passer 66 m³/h sous 1 Pa, 165 m³/h sous 4 Pa et 302 m³/h sous 10 Pa. Le débit sous 4 Pa vaut encore 0,19 fois celui sous 50 Pa, plus du double du rapport 4/50 = 0,08 qu'aurait donné une loi linéaire.

18.3 L'essai à la porte soufflante

La norme EN ISO 9972 décrit la mesure de la perméabilité à l'air d'un bâtiment par pressurisation au moyen d'un ventilateur. On ferme les fenêtres et les portes extérieures, on bouche les entrées d'air et les bouches de ventilation selon la méthode choisie, on ouvre les portes intérieures. Dans l'encadrement d'une porte, on monte un cadre réglable tendu d'une toile, et dans la toile un ventilateur étalonné muni de diaphragmes interchangeables qui couvrent plusieurs plages de débit.

Un manomètre à deux voies lit en même temps l'écart de pression entre l'intérieur et l'extérieur (voie A) et la pression au col du ventilateur, que l'étalonnage du fabricant convertit en débit (voie B). Avant l'essai, ventilateur arrêté et obturé, on relève l'écart naturel dû au vent et au tirage ; on le relève de nouveau à la fin. On règle ensuite la vitesse par paliers, de 10 Pa environ jusqu'à 50 Pa au moins, en général plus haut, et l'on note à chaque palier le couple (Δp ; q). On fait souvent une série en dépression et une en surpression, puis on retient leur moyenne. Des brins de laine ou un fumigène montrent où l'air passe.

On tire ensuite des paliers la loi de fuite, puis quatre indicateurs :

Débit sous 50 Pa, q₅₀

Le débit de fuite de l'enveloppe sous 50 Pa, en m³/h, lu sur la loi ajustée plutôt que sur un palier isolé. La norme EN ISO 9972 le note V̇₅₀ et réserve le symbole q₅₀ à la perméabilité rapportée à la surface de l'enveloppe, V̇₅₀ / A_E ; ce chapitre garde la lettre q pour tous les débits.

Taux de renouvellement sous 50 Pa, n₅₀

n₅₀ = q₅₀ / V, en h⁻¹, avec V le volume intérieur. C'est l'indicateur le plus répandu. Le label Passivhaus, par exemple, demande n₅₀ ≤ 0,6 h⁻¹.

Perméabilité rapportée au plancher, w₅₀

w₅₀ = q₅₀ / A_F, en m³/(h·m²), avec A_F la surface de plancher.

Perméabilité sous 4 Pa, Q_4Pa-surf

L'indicateur retenu en France : Q_4Pa-surf = q₄ / A_Tbat, en m³/(h·m²), où A_Tbat est la surface des parois froides hors plancher bas. Les réglementations thermiques françaises ont pris comme exigence de référence 0,6 m³/(h·m²) en maison individuelle et 1,0 en logement collectif ; ces valeurs sont citées ici à titre d'exemple, le texte en vigueur fait foi.

On exprime aussi parfois les fuites par une surface équivalente, celle d'un orifice unique qui laisserait passer q₄ sous 4 Pa avec un coefficient de décharge de 1 : A = q₄ · √(ρ / (2 · 4)), q₄ en m³/s.

18.4 Exemple : essai d'une maison

La maison de la figure mesure 10 × 6 m sur deux niveaux de 2,5 m. Son volume intérieur vaut V = 300 m³, sa surface de plancher A_F = 120 m². Les murs, hauts de 5,25 m entre le plancher bas et le plafond haut, offrent 168 m², le plafond haut 60 m², d'où A_Tbat = 228 m². L'essai se fait en dépression, à 20 °C à l'intérieur.

Lectures d'exemple. L'écart naturel, ventilateur arrêté, valait 0,3 Pa avant l'essai et 0,5 Pa après.

1. Correction de zéro : on retranche la moyenne des deux écarts naturels, (0,3 + 0,5) / 2 = 0,4 Pa, à chaque lecture. On obtient la troisième colonne.
2. Linéarisation : en passant aux logarithmes, la loi devient une droite, ln q = ln C + n · ln Δp. Une régression aux moindres carrés sur les sept points donne n = 0,6575 et C = 66,449 m³/(h·Paⁿ), avec un coefficient de détermination r² = 0,9996. À la main, sur le premier et le dernier palier, n = ln(1 095 / 305) / ln(70,0 / 10,0) = 0,657 : la régression ne fait qu'affiner ce que donnent les deux extrêmes.
3. Débit sous 50 Pa : q₅₀ = 66,449 × 50^0,6575 = 870 m³/h. Le palier 5, lu à 50,1 Pa, donnait 875 m³/h : la loi lisse les erreurs de lecture.
4. Indicateurs : n₅₀ = 870 / 300 = 2,90 h⁻¹ ; w₅₀ = 870 / 120 = 7,25 m³/(h·m²).
5. Sous 4 Pa : q₄ = 66,449 × 4^0,6575 = 165 m³/h, d'où Q_4Pa-surf = 165 / 228 = 0,725 m³/(h·m²). C'est au-dessus de la valeur de référence de 0,6 citée en 18.3 : il faudrait reprendre l'étanchéité.
6. Surface équivalente : avec ρ = 1,204 kg/m³ à 20 °C, A = (165 / 3 600) × √(1,204 / 8) = 0,0178 m², soit 178 cm², un carré d'un peu plus de 13 cm de côté.

Les brins de laine de la figure désignent des suspects, tous sur l'enveloppe du volume chauffé : la fenêtre, une prise de courant sur paroi extérieure et la traversée d'une gaine dans le mur de l'étage, dont le fourreau est mal calfeutré.

18.5 De n₅₀ à l'infiltration moyenne

Sous 50 Pa, la maison est soumise à une pression que le vent et le tirage n'atteignent presque jamais. En usage, l'écart de pression vaut quelques pascals et change sans cesse. Pour passer de n₅₀ à un taux d'infiltration moyen, une règle empirique très simple, attribuée à Kronvall et Persily et justifiée par Sherman au Lawrence Berkeley Laboratory (1987), divise par 20 :

n_inf ≈ n₅₀ / 20

Pour la maison : n_inf ≈ 2,90 / 20 = 0,145 h⁻¹, soit q_inf ≈ 0,145 × 300 = 43,5 m³/h. Ce n'est qu'une approximation. Le diviseur varie selon le climat, la hauteur du bâtiment et son abri au vent ; avec un diviseur de 10 à 30, on trouve de 29 à 87 m³/h. Cette fourchette donne l'incertitude réelle de toute estimation d'infiltration faite à partir d'un essai.

On peut vérifier l'ordre de grandeur par le seul tirage. Supposons les fuites réparties uniformément sur la hauteur et le plan neutre à mi-hauteur. Sous ce plan, l'air entre ; l'écart de pression croît linéairement de 0 au plan neutre jusqu'à Δp_max au pied de l'enveloppe. Le débit entrant vaut alors :

q_entrant = C · Δp_maxⁿ / (2 (n + 1))

Par −7 °C dehors et 20 °C dedans, Δp_max = 3,14 Pa (18.6), et l'on trouve 42,6 m³/h. Le tirage seul, un jour de grand froid sans vent, donne donc à peu près ce que prédit la règle de 20 en moyenne.

Le chapitre 17 estime l'infiltration de calcul par une approximation de l'édition 2003 de la norme EN 12831 : q_inf ≈ n₅₀ · e · V, avec un coefficient d'exposition e de quelques centièmes ; avec e = 0,02, la maison compte 17,4 m³/h. L'édition en vigueur, EN 12831-1:2017, part du débit de fuite sous 50 Pa rapporté à toute l'enveloppe, plancher compris, ici 870 / 288 = 3,02 m³/(h·m²), et le multiplie par un facteur f_qv ; sa valeur par défaut publiée pour un bâtiment exposé sur plusieurs façades, 0,05, revient à la règle de 20 : 43,5 m³/h sans ventilation mécanique. Avec 105 m³/h extraits, la maison est en dépression et cette infiltration tombe à 13,1 m³/h, qui s'ajoutent au débit extrait. Le chapitre 17 garde l'approximation de 2003 et chiffre l'écart (17.8). Pour une estimation d'énergie, la règle de 20 donne un ordre de grandeur.

18.6 Le tirage thermique et le vent

Entre deux points distants de h sur la verticale, l'écart de pression dû au tirage est la différence de poids des deux colonnes d'air, g h (ρ_e − ρ_i). Les deux airs étant des gaz parfaits à la même pression, ρ_i = ρ_e T_e / T_i, d'où :

Δp = ρ_e · g · h · (T_i − T_e) / T_i (T en K)

h est la distance au plan neutre, où les pressions intérieure et extérieure s'égalent. Avec des fuites réparties, il se place vers mi-hauteur ; un grand orifice en partie haute, une cheminée ouverte par exemple, le fait monter. Pour la maison, haute de 5,25 m, h = 2,625 m. Par −7 °C, ρ_e = 1,326 kg/m³ :

Δp = 1,326 × 9,807 × 2,625 × 27 / 293,15 = 3,14 Pa

Intérieur à 20 °C. Dans une tour d'une centaine de mètres, les étages extrêmes, à 50 m du plan neutre, dépassent par grand froid la pression d'essai de 50 Pa : c'est pourquoi les portes d'entrée des immeubles de grande hauteur sifflent et résistent en hiver.

Le vent agit plus fort, mais par intermittence. La pression dynamique ρ v² / 2 et l'écart entre une façade au vent (C_p ≈ +0,6) et une façade sous le vent (C_p ≈ −0,3), deux valeurs typiques d'un bâtiment bas et isolé, valent :

Air à −7 °C. Les coefficients de pression réels dépendent de la forme du bâtiment, de son environnement et de la direction du vent.

Une brise de 2 m/s fait jeu égal avec le tirage d'une maison ; un vent soutenu l'écrase.

18.7 Débits hygiéniques et ventilation mécanique

L'infiltration ne suffit pas à assainir un local : elle varie avec la météo et passe là où sont les fuites, non là où l'on respire. L'air neuf nécessaire se fixe donc à part, par des débits hygiéniques, et se fournit par une ventilation maîtrisée.

• Dans les logements, l'arrêté du 24 mars 1982 fixe des débits extraits dans les pièces de service (cuisine, salle de bains, WC) et un débit total minimal qui croît avec le nombre de pièces principales, de l'ordre de 100 m³/h pour un logement de cinq pièces. Le chapitre prend 105 m³/h pour la maison, valeur d'exemple.
• Dans les bureaux, le Code du travail (article R4222-6) impose au moins 25 m³/h d'air neuf par occupant. Le bureau de référence du cours, avec ses deux occupants, reçoit donc 50 m³/h.
• La norme EN 16798-1 combine, par catégorie d'ambiance, un débit par personne et un débit par mètre carré ; la qualité de l'air se discute au chapitre 15, le confort au chapitre 14.

Deux familles d'installations fournissent ces débits.

Simple flux

Un ventilateur extrait l'air des pièces de service ; l'air neuf entre par des entrées d'air dans les pièces principales. Le logement est en légère dépression. Pour la maison, 105 m³/h extraits, soit 0,35 h⁻¹, suffiraient seuls à la mettre à 2,01 Pa de dépression si tout l'air passait par les fuites. C'est l'ordre de grandeur du tirage : le ventilateur et le climat se partagent la conduite des flux, d'où la superposition qui suit.

Double flux

Un ventilateur souffle l'air neuf dans les pièces principales, un autre extrait l'air vicié ; les deux débits sont égaux et passent par un échangeur où l'air extrait réchauffe l'air neuf (chapitres 8 et 40). Le logement reste à l'équilibre de pression, et l'infiltration s'ajoute entièrement à la ventilation. Avec une efficacité η, l'air neuf ne coûte plus que la fraction (1 − η) de l'écart de température.

Pour combiner une ventilation et l'infiltration, l'ASHRAE propose une superposition simple : les débits équilibrés s'ajoutent, les débits déséquilibrés se composent en quadrature avec l'infiltration naturelle.

q = q_équilibré + √(q_{déséquilibré}² + q_inf²)

En simple flux, tout le débit est déséquilibré ; en double flux, tout est équilibré. Le réseau qui porte ces débits relève du chapitre 32, sur les bases de pertes de charge du chapitre 9, et le choix de ses ventilateurs du chapitre 31.

18.8 Puissance et énergie du renouvellement d'air

Un débit d'air extérieur q porté à la température intérieure coûte une puissance sensible :

Φ = ρ · c_p · q · (θ_i − θ_e)

Avec la masse volumique de l'air à 20 °C du chapitre 1 et c_p = 1 006 J/(kg·K), ρ c_p = 0,3365 Wh/(m³·K) : chaque m³/h d'air renouvelé coûte 0,34 W par kelvin d'écart. C'est la valeur qui donne au chapitre 17 H_V = 0,34 · q. En été, l'air neuf apporte en outre de l'eau, dont la charge latente se lit au chapitre 2.

Pour le bureau de référence, 50 m³/h d'air neuf coûtent 454 W par −7 °C dehors et 20 °C dedans, mais seulement 91 W derrière un échangeur à 80 % d'efficacité. En été, à 31 °C dehors pour 26 °C dedans, la charge sensible de cet air ne vaut que 82 W, car l'écart est faible. Sa charge latente dépend de la teneur en eau extérieure. Le jour d'exemple, l'air extérieur à 10 g/kg est un peu plus sec que le local à 26 °C et 50 % (10,47 g/kg, chapitres 1 et 19) : il n'apporte pas de vapeur. Par temps lourd, il en apporte, et sa part latente peut alors dépasser sa part sensible. Le bilan complet de l'air neuf du bureau se fait au chapitre 21.

Sur une saison de chauffe, l'énergie vaut ρ c_p · q · 24 · DJU, où DJU est la somme des degrés-jours de chauffage du site. Le chapitre prend 2 400 K·j, ordre de grandeur d'un climat tempéré du nord de la France ; la valeur du site se prend dans les données climatiques locales.

18.9 Exemple : la puissance de chauffage due à l'infiltration

On reprend la maison de 18.4 par −7 °C dehors et 20 °C dedans, ΔT = 27 K, avec l'infiltration moyenne de 18.5, q_inf = 43,5 m³/h.

1. Infiltration seule, en ventilation naturelle : Φ_inf = 0,3365 × 43,5 × 27 = 395 W.
2. Simple flux de 105 m³/h. En additionnant naïvement, 105 + 43,5 = 148,5 m³/h, soit 1 349 W. La superposition donne √(105² + 43,5²) = 113,7 m³/h, soit 1 033 W. L'infiltration n'ajoute plus que 8,7 m³/h, 7,6 % de la puissance : la dépression créée par le ventilateur fait passer par les fuites une partie de l'air qu'il extrait.
3. Double flux de 105 m³/h, efficacité 0,80. Sans échangeur, la ventilation coûterait 954 W ; avec lui, 954 × (1 − 0,80) = 191 W. L'infiltration s'ajoute en entier : 191 + 395 = 586 W, dont 67 % dus aux fuites.
4. Saison de chauffe, 2 400 K·j : l'infiltration seule coûte 843 kWh ; le simple flux, infiltration comprise, 2 203 kWh ; le double flux, infiltration comprise, 1 250 kWh.

La leçon est contre-intuitive : plus la ventilation récupère de chaleur, plus l'étanchéité compte. Dans une maison en double flux, les fuites deviennent le premier poste de pertes par l'air. Ramener n₅₀ de 2,90 h⁻¹ à la valeur Passivhaus de 0,6 h⁻¹ diviserait ce poste par près de cinq. C'est pourquoi les labels qui reposent sur la ventilation double flux, comme Passivhaus, exigent aussi un essai à la porte soufflante.

À retenir

• L'air entre sous l'effet du vent, du tirage thermique et des ventilateurs ; les écarts de pression d'usage valent quelques pascals.
• Une enveloppe suit la loi q = C · Δpⁿ, avec n entre 0,5 et 1.
• L'essai EN ISO 9972 mesure des paliers jusqu'à 50 Pa au moins ; une régression en logarithmes donne C et n, puis q₅₀, n₅₀, w₅₀ et Q_4Pa-surf.
• n₅₀ / 20 donne un ordre de grandeur de l'infiltration moyenne, avec une incertitude d'un facteur deux ou trois.
• Le tirage vaut Δp = ρ_e g h (T_i − T_e) / T_i, à compter depuis le plan neutre.
• Chaque m³/h d'air renouvelé coûte environ 0,34 W/K. En double flux, l'infiltration devient le premier poste de pertes par l'air.

Sources publiques : norme EN ISO 9972:2015, Performance thermique des bâtiments, détermination de la perméabilité à l'air des bâtiments, méthode de pressurisation par ventilateur, pour l'essai, la correction de zéro et les indicateurs V̇₅₀, n₅₀, q₅₀ (par m² d'enveloppe) et w₅₀ ; M. H. Sherman, « Estimation of infiltration from leakage and climate indicators », Energy and Buildings 10 (1987), et les publications du Lawrence Berkeley Laboratory, pour la règle de 20, attribuée à Kronvall et Persily ; ASHRAE Handbook, Fundamentals, chapitre « Ventilation and Infiltration », pour la surface équivalente de fuite, le tirage thermique, les coefficients de pression de vent et la superposition des débits ; norme EN 12831:2003 pour la convention d'infiltration de calcul du chapitre 17 (n₅₀ · e · V), approximation conservée par le cours ; EN 12831-1:2017, en vigueur (NF EN 12831-1, AFNOR, 2017, qui annule la NF EN 12831 de 2004), pour la perméabilité rapportée à l'enveloppe et le facteur f_qv, d'après les descriptions publiques de ses formules et de ses valeurs par défaut ; norme EN 16798-1 pour les débits d'air neuf par catégorie ; Code du travail, article R4222-6 ; arrêté du 24 mars 1982 relatif à l'aération des logements ; réglementation thermique française pour l'indicateur Q_4Pa-surf ; Passivhaus Institut pour le critère n₅₀ ≤ 0,6 h⁻¹. Les lectures de l'essai, la maison, le débit extrait de 105 m³/h, l'efficacité de 0,80, les coefficients de pression et les 2 400 K·j sont des hypothèses d'exemple ou des valeurs typiques, pas des valeurs normatives. Tous les nombres de ce chapitre sont calculés par le modèle du cours.