Ventilation naturelle en architecture : méthodes, outils et règles de conception

par Margherita Ferrucci

Thèse de doctorat en Architecture

Sous la direction de Maurizio Brocato et de Fabio Peron.

Soutenue le 20-12-2017

à Paris Est en cotutelle avec l'Università Iuav di Venezia , dans le cadre de VTT - Ville, Transports et Territoires , en partenariat avec Laboratoire Géométrie, structure, architecture (Paris) (laboratoire) .

Le président du jury était Bruno Chanetz.

Le jury était composé de Maurizio Brocato, Fabio Peron, Francesca Cappelletti.

Les rapporteurs étaient Jean-Denis Parisse, Giovanni Zannoni.


  • Résumé

    La ventilation naturelle est une stratégie passive qui permet l'échange naturel d'air entre le bâtiment et l'environnement extérieur. Elle assure une bonne qualité de l'air intérieur, améliore le confort thermique et elle réduit les besoins énergétiques, les émissions de gaz à effet de serre et les symptômes liés au syndrome du bâtiment malsain. Bien que les avantages et les bénéfices de la ventilation naturelle soient multiples, son usage est rare dans l'architecture contemporaine. Bien sûr, il existe des limites à sa mise en œuvre dans certains bâtiments, comme la mauvaise qualité de l'air extérieur, mais ces problèmes ne justifient pas une utilisation si peu répandue. La cause de sa faible diffusion est principalement liée à la difficulté de la conception plutôt que aux facteurs physiques liés à l'environnement. La thèse vise à fournir différents outils pour comprendre la dynamique des fluides dans les bâtiments et développer des techniques et des méthodes pour aider la conception des bâtiments ventilés naturellement. L'approche adoptée dans la thèse est modélisée selon les besoins du concepteur qui peut choisir d'utiliser différents types de supports tels que: utiliser des outils graphiques ou des modélisations numériques, s'inspirer de l'architecture contemporaine et répéter les solutions technologiques existantes, utiliser des outils de modélisation physique, s'inspirer du passé ou du monde naturel. Ici plusieurs aspects de la ventilation naturelle sont traités en apportant à chacun une contribution innovante afin de créer des outils d'aide pour différents phases de la conception : Les objectifs de la thèse sont de créer des outils innovants qui simplifient la conception à des niveaux différents. Nous avons créé donc, des outils et des modèles graphiques simplifiés pour choisir la forme du bâtiment et son orientation, des lignes directrices pour le dimensionnement des dispositifs de ventilation (cheminées de toit), des méthodes expérimentales simplifiées associées à des codes de lecture des écoulements d'air. Nous avons également élargit le panorama culturel et historiques et nous avons créé des indications morphologiques dérivant de l'analyse de l'architecture biomimétique. Grâce à une analyse CFD paramétrique, des outils graphiques sont générés pour évaluer, de manière comparative, les performances de ventilation d'une famille morphologique de bâtiments et choisir la forme du bâtiment, son orientation et la position des ouvertures. Nous créons des lignes directrices pour la conception et le pré-dimensionnement des dispositifs de ventilation. Les règles sont déterminées par une analyse comparative de neuf projets de bâtiments contemporains ventilés naturellement dans lesquels le dispositif de ventilation est présent. Une soufflerie est conçue et réalisée pour simplifier les visualisations des écoulements d'air autour des modèles de bâtiments et nous proposons une méthode pour réaliser des expérimentations de support à la conception. Le système de refroidissement géothermique d'une ancienne villa à Costozza (Vicence, Italie) est étudié. Cette section élargit la connaissance du patrimoine architectural italien et souligne l'importance de redécouvrir des solutions technologiques bioclimatiques existantes, toujours en fonction. On analyse une structure animale: le nid d'un insecte. Il s'agit d'un archétype bioclimatique qu'il peut être utilisé dans l'architecture en tant que technologie biomimétique

  • Titre traduit

    Natural ventilation in architecture : methods, tools and rules for design


  • Résumé

    Natural ventilation is a passive ventilation strategy of confined spaces that consists of natural air exchange between the building and the outdoor environment. Natural ventilation ensures a good indoor air quality, it improves the thermal comfort and it reduces the greenhouses gases emission, the energy demand and the symptoms associated with the Sick Building Syndrome. Although the advantages and benefits of natural ventilation are multiple, its application is rare to contemporary architecture. By the way, there are some limits to its implementation, such as the bad quality of outdoor air, but that does not justify a so limited design of naturally ventilated buildings. The cause of its rare diffusion is primarily the difficulty of design rather than the factors related to the environment. The thesis intends to provide multiple tools for understanding the fluid dynamics in buildings and to develop techniques and methods to support the design of naturally ventilated buildings. The approach adopted in the thesis is modeled according to the needs of the designer. In fact, a designer can choose to use different types of support tools such as: use of graphic tools or numerical models, inspiration to contemporary architecture to provide the existing technology solutions, use of physical modeling tools, inspiration to the past or to the nature. Often, the design is a global process and does not need a single tool but the designer uses more than one. Here, several aspects of natural ventilation are dealt with, trying to make an innovative contribution to each of these themes, in particular : Through a parametric CFD analysis, graphical tools are generated to evaluate, adopting a comparative approach, the ventilative performance of a morphological family of buildings and to choose the shape of the building, its orientation and the position of the openings. Guidelines are set for the design and pre-dimensioning of ventilation devices. The rules are determined by a comparative analysis of nine contemporary ventilation projects in which the ventilation device is present. An optimized wind tunnel is created to simplify airflow visualizations around building models. We provide also a method to make simplified experimentations, an aiding-design tool, and a code that allows to understand the views with the smoke. We study the geothermal cooling system of an ancient villa in Costozza (Vicenza, Italy). This section extends the knowledge of the Italian architectural heritage and highlights the importance of rediscovering existing bioclimatic technology solutions, still in operation. An animal structure is analysed: the bug of an insect. This is a bioclimatic archetype and therefore it can be applied to architecture as a biomimetic technology

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