Mécanisme d'insuflation d'air frais dans une mine de charbon aux États-Unis.

La ventilation est l'action qui consiste à créer un renouvellement de l'air, par déplacement dans un lieu clos. Elle est mise en œuvre dans les lieux où l'oxygène risque de manquer, ou bien où des polluants et autres substances indésirables (humidité, par exemple) risqueraient de s'accumuler en son absence : logements, bureaux, magasins, salles de spectacles, d'enseignement, ouvrages souterrains, tunnel routier, atelier industriel, mine…

L'AFSSET a en France constaté que « le fonctionnement constaté de ces dispositifs ne correspond pas toujours au fonctionnement théorique et que le cheminement de l’air dans les bâtiments n’est pas toujours conforme aux prévisions » .

Histoire

Avant le XIX siècle

L'éventail, inventé par les chinois et autres Pankas (ou punkha), faisant partie des appareils de ventilation les plus élémentaires et les plus anciens, permettent de ménager un courant d'air rafraîchissant, dans les ambiances surchauffées des régions orientales. Dans le même esprit les Badgirs ou « tour à vent » réalisent par tirage, une ventilation naturelle dans les édifices persans depuis des siècles et associée à une Yakhchal, permettent même la conservation de la glace dans des conditions de chaleur extrême, réalisant une des premières climatisation.

L'appareil de ventilation le plus commun et le plus primitif est toutefois probablement la cheminée, ou le trou ménagés au-dessus d'un foyer dans toutes les constructions du monde; L'air chaud est éventuellement aspiré dans un tuyau de cheminée, la force chargée de mettre en mouvement la colonne d'air est assurée par la chaleur du foyer, l'arrivée d'air se fait par les fissures et imperfections des parois de la construction.

Dans la Rome antique et jusqu'au Moyen Âge, les fenêtres étaient juste pourvues de volets, que l'on devait ouvrir pour faire entrer la lumière. On ne parlait pas de ventilation mais la circulation d'air à l'intérieur du bâtiment était libre et abondante, assurées par les jeux de pression qui existent hors et dans le bâtiment.

Surtout dans le Nord, la nécessité de se protéger du froid et de retenir la chaleur des foyers, oblige à substituer aux panneaux de bois des volets, des éléments translucides, dans le meilleur cas du verre, transformations successives qui aboutissent au châssis de fenêtre moderne, qu'il n'est pas nécessaire de laisser ouvert pour faire entrer la lumière. D'une manière générale, par une amélioration des fermetures de baie, des matériaux et de leur mise en œuvre, le bâtiment va vers une plus grande étanchéité à l'air. On voit dès lors, la ventilation associée au chauffage, l'un étant antinomique de l'autre.

Lorsqu'elle s'érige en science milieu XVIII siècle, la ventilation s'intéresse à des milieux confinés dont font désormais partie les bâtiments.

Mais la science s'est d'abord attachée à des lieux comme les mines, puis les intérieurs de navires, ensuite les prisons, les casernes et enfin les hôpitaux « où des masses de chair humaine en décomposition plus ou moins avancée empoisonnent l'atmosphère».

La première ventilation artificielle dont l'histoire fasse mention est celle que conseille Hippocrate en -460, lors d'une épidémie à Athènes et celle qu'on appliqua encore au XIX siècle quelques villes du Midi de la France pendant la quatrième pandémie de choléra, à savoir l'allumage de vastes foyers sur les places publiques. Ces foyers brûlaient une partie des miasmes aériens et provoquaient un courant d'air dans l'atmosphère ambiante, mais ils exigeaient une masse énorme de combustible et n'agissaient que sur des surfaces très restreintes.

Caisse à ventilateur du docteur Hales, composée de deux caisses en bois parallèles (a, b, c, d) dans lesquelles l'air est aspiré ou refoulé par une série de valves (h).

Moulin à vent actionnant le ventilateur du docteur Hales à la Prison de Newgate.

En 1776, on voit appliquer en Angleterre le ventilateur à soufflet mû par un balancier, décrit dans le supplément de l'Encyclopédie Diderot et d'Alembert.

un foyer extérieur pour l'introduction de l'air pur préalablement chauffé en hiver;

la pente à donner au plafond pour faciliter la sortie de l'air vicié par un tuyau central;

des gaines séparées pour chaque étage;

un foyer d'appel placé dans les combles où il indique clairement tous les moyens usités au XIX siècle y compris la prise d'air sur les toits quand on a à craindre les émanations du sol. Léopold Genneté. Principe de ventilation des hôpitaux,1767

Un ouvrage de 1557, que Georgius Agricola, publie à Bâle sur l'exploitation des mines, le De re metallica, indique les moyens employés alors pour la ventilation et on reconnaît dans le dessin de l'époque les mêmes moyens artificiels encore employés au XIX siècle: Le soufflet, le ventilateur rotatif, le ventilateur à ailes et à quadruple compartiments. Il est déjà question de divisions pour les courant montants et descendants.

En 1745, Samuel Sutton s'occupe spécialement de la ventilation des navires.

À partir de 1734, John Theophilus Desaguliers, et le physiologiste, chimiste et inventeur britannique Stephen Hales, introduisent les ventilateurs mécaniques pour aérer la Prison de Newgate, les hôpitaux et surtout les Chambres des communes où une « roue centrifuge » est employée: En 1750 un comité est institué à Londres, par la Société royale pour examiner le mauvais état de ventilation de ces prisons qui produit alors « la maladie bien connue sous le nom de fièvre des prisons ». Sir John Pringle auteur de Observations on the Nature and Cure of Hospital and Jayl Fevers et le docteur Hales recommandent l'usage d'un ventilateur inventé par ce dernier et bientôt les décès à Newgate sont réduits de sept ou huit par semaine, à environ deux par mois. On a une idée de ce qu'est alors la prison de Newgate, par ce fait que des onze ouvriers employés à établir le ventilateur, sept sont attaqués de la fièvre et un en meurt.

Devant la presque disparition de mort par la « fièvre des prisons », l'usage des ventilateurs inventés par Stephen Hales, se généralise dans ces établissements, ainsi que dans les hospices et les navires. Leur emploi se répand également en France, où Hales obtiendrait du roi Louis XV, à l'occasion d'une guerre avec la France, l'autorisation de faire installer de tels dispositifs dans les dépôts où sont retenus des prisonniers anglais.

En France, Duhamel du Monceau est le premier qui en 1759 indique dans son ouvrage l'emploi de l'appel fourni par les fourneaux de cuisine des navires pour désinfecter les cales. Il s'inspire des travaux de Hales dans l'établissement de la ventilation des greniers à blé.

En 1767 Léopold Genneté faisant ressortir les inconvénients des moteurs mécaniques de ses devanciers expose l'application aux hôpitaux de la ventilation par appel d'air qu'il a observée à Liège dans les mines où on la pratique depuis des siècles.

Apports du XIX siècle

La chimie connaît un énorme progrès quantitatif avec Antoine Lavoisier qui l'a promue en science exacte. Les bases de la théorie de la chaleur sont posées, on étudie la propagation de la chaleur à travers les corps, les lois du réchauffement et du refroidissement, les phases gazeuses, etc.

Début XIX siècle, les questions de ventilation, de chauffage et d'assainissement en général, deviennent une préoccupation majeure, sous l'impulsion des courants hygiénistes, d'abord en Angleterre (Prison de Pentonville, Guy's Hospital, etc.), plus tard en France. Il est question de la ventilation dans les habitations particulières, dans les casernes et les hôpitaux. En France, Jean-Pierre-Joseph d'Arcet est le premier qui au commencement du siècle applique la science d'une manière pratique et sérieuse à la salubrité des ateliers et des théâtres. « En hygiène publique l'air est à là fois comme l'eau un aliment et un agent de désinfection ou de purification ». Le renouvellement de l'air peut être obtenu de diverses manières et est principalement indispensable là où se trouvent réunis beaucoup d'individus donnant lieu à de la chaleur et à des miasmes soit par eux-mêmes soit par les matières qu'ils travaillent ou par suite de leurs maladies hôpitaux ou dans des lieux destinés à recevoir les immondices ou les matières excrémentielles. L'hygiène publique se préoccupe de l'« aération extérieure », celle qui résulte de la disposition des cours de tous les édifices et maisons, de la largeur des rues, de leur direction, de leur exposition au midi , etc. « Faire de larges rues, des maisons peu élevées, des places spacieuses, des cours d'habitation proportionnées à la surface des bâtiments, (…) tels sont les grands moyens de ventilation publique d'une ville que toute bonne administration doit chercher à établir malgré les oppositions et le mauvais vouloir de certains intérêts privés ».

Les principes de la ventilation sont alors toujours assez simples. Pour ventiler une pièce il faut trois choses une entrée, une sortie, une force. Toute capacité close où l'on voudra produire un renouvellement de l'air doit être munie d'au moins deux orifices, un orifice d'entrée et un orifice de sortie, l'un placé en haut autant que possible, l'autre dans le bas et loin du premier.
L'orifice de sortie est mis en communication avec une colonne d'ascension soumise à une force calorifique quelconque ou à un ventilateur mécanique et cette force combinée avec la grandeur des orifices et la hauteur de la colonne détermine la mesure de la ventilation obtenue.

L'appareil de ventilation par excellence celui qui est le plus commun, est alors et toujours la cheminée d'appartement; la colonne d'ascension c'est le tuyau de cheminée, la force c'est le foyer, l'arrivée ce sont souvent les fissures des portes et des fenêtres quand il n y a pas de ventouses suffisantes et de prise d'air derrière le foyer. Un foyer ordinaire d'appartement peut déterminer par son tirage une évacuation de 800 à 1 000 mètres cubes d'air par heure et malheureusement c'est là le rôle principal des cheminées. En effet cette évacuation d'air à l'extérieur et par conséquent le refroidissement des pièces sont d'autant plus considérables que le chauffage fonctionne avec plus d'activité. Rarement les prises d'air extérieur qu'on a ajoutées dans des systèmes de tuyaux plus ou moins contournés sont suffisantes pour alimenter la combustion et pour remplacer l'air ascendant du tuyau de fumée. Ce sont toujours les portes et les fenêtres qui viennent donner le complément d air indispensable.

Dans les grands espaces, des ventilateurs mécaniques sont actionnés par des machines à vapeur qui nécessitent éventuellement, l'assistance d'un machiniste!

Dès 1800, le gaz d'éclairage arrive dans les appartements. Encore au début du XX siècle, causés par le gaz de houille le gaz principalement utilisé, des utilisateurs se plaignent de mauvaises odeurs, de céphalées et de vomissements. Le gaz de houille, issu d'une pyrolyse de la houille est un mélange empoisonné de monoxyde de carbone, de sulfure d'hydrogène (et de méthane et d'hydrogène qui eux ne sont pas toxiques) qui oblige à une épuration physique et chimique qui sera longtemps imparfaite. La combustion du gaz de houille d'une part emprunte à l'air ambiant l'oxygène dont elle a besoin, et d'autre part rejette dans celui-ci le dioxyde de carbone, le dioxyde de soufre et lorsque la combustion est incomplète ou lorsqu'il y a des fuites, le très dangereux monoxyde de carbone, autant de produits toxiques ou corrosifs qui obligent dès lors à ventiler. L'emploi des ventilateurs et ventouses, fait désormais loi dans les appartements.

Le gaz d'huile et surtout la lumière oxhydrique sont envisagés comme solutions alternatives car moins polluants. À partir de 1880, l'électricité en remplaçant le gaz dans ses applications d'éclairage, signifie une amélioration substantielle de la qualité de l'air intérieur.

Les progrès réalisés dans les machines à vapeur profite aux installations de chauffage domestiques. Les calorifères, un des premiers système de chauffage central, réalisent une petite révolution en délocalisant une chaudière unique, source de pollutions diverses, et permettent de mieux contrôler le chauffage et la ventilation des pièces d'habitation. Des fluides caloporteurs sont mis en œuvre, acheminés dans des tuyaux vers des radiateurs, chargés de disperser la chaleur dans les pièces.

Apports du XX siècle

Dans les maisons de type maison passive, le Test d'infiltrométrie, permet de connaître la quantité d'air qui entre dans l'habitat en dehors des systèmes de ventilation et par la suite de colmater pour les supprimer, les infiltrations d'air parasites.

La climatisation moderne est inventée par Willis H. Carrier en 1902.

Le chauffage, ventilation et climatisation, sont de plus en plus souvent associés. Aux États-Unis on les retrouve dans une discipline unique appelée HVAC (Pour Heating, Ventilation and Air-Conditioning). L'HVAC devient une entreprise mondiale dont le rôle consiste en l'exploitation, la maintenance, la conception et la construction de systèmes, la fabrication et la vente d'équipements, l'éducation et la recherche. Cette industrie est historiquement régulée par les fabricants d'équipements HVAC, mais des organismes de régulation et de standardisation comme ASHRAE (pour American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers) sont instaurées dès 1894 pour soutenir l'industrie et encourager des standard élevés de finition.

Le premier choc pétrolier en 1973 aboutit dans les climats froids et tempérés, et surtout dans les pays occidentaux, à un nouveau type de construction faisant un usage intensif de l'isolation thermique. La pose de l'isolation, s'accompagne de membrane plus ou moins étanches, de pare et de freines-vapeurs qui visent à protéger l'isolant de toute atteinte par l'humidité ambiante ou extérieure. Les bâtiments de fait deviennent de plus en plus étanches, et la ventilation, qui est naturelle ou forcée, se préoccupe désormais, d'évacuer le surplus d'humidité intérieur et surtout d'assurer le renouvellement d'air nécessaire à la respiration.

Dans les concepts du type « maison passive », développé à partir d'expériences réalisées dans les années 1970, les bâtiments sont totalement étanches, et la ventilation totalement assurée par des moyens artificiels.

Avec le Protocole de Kyoto en 1997, visant à la réduction des émissions de gaz à effet de serre, les états s'arment d'une batterie de règlements visant à améliorer la performance énergétique des bâtiments ainsi que leur dépendance aux sources d'énergies fossiles. La conception des bâtiments prend en considération désormais les caractéristiques thermiques, et l'étanchéité à l'air du bâtiment, les équipements de chauffage et d'approvisionnement en eau chaude; les installations de climatisation, la ventilation, ainsi que dans l'implantation la compacité et l'orientation du bâtiment, les systèmes solaires passifs et les protections solaires, l'éclairage naturel etc. La paroi devient un objet de haute technicité.

Les matériaux de construction modernes contenant par exemple des formaldéhydes et d'autre part la découverte de nouvelles sources de pollution tels le radon deviennent un motif supplémentaire de ventilation.

Utilités

La ventilation d'un lieu a de manière générale plusieurs justifications :

Renouveler l'air ambiant, l'assainir, le dépoussiérer.

Assurer la climatisation (chauffage ou refroidissement) du local.

Réguler le taux d'hygrométrie (humidité).

Gérer la pression atmosphérique d'un lieu clos (en surpression ou en dépression).

Contrôle de la concentration du CO2 et des divers polluants intérieurs.

Suivant le lieu où elle est mise en œuvre, l'une de ces justifications est plus spécifiquement poursuivie.

Moyens mis en œuvre

Pour assurer le déplacement de l'air on peut avoir recours à plusieurs systèmes :

La convection naturelle, qui consiste à utiliser uniquement les transferts de chaleur et les courants d'air naturel (vents), pour déclencher le déplacement de l'air.

La ventilation mécanique est la plus courante, elle est généralement imposée par des normes simples et simplistes, elle reste complexe à maîtriser puisqu'elle se combine nécessairement aux phénomènes convectifs naturels qui varient selon chaque contexte : on utilise un ventilateur, (hélice ou turbine) entraînée par un moteur électrique pour souffler et/ou aspirer l'air.

Type de ventilations

Dans les bâtiments habités, 6 grands types de ventilations existent :

Ventilation naturelle, qui se fait par ouvrants extérieurs ou via des conduits à tirage naturel. On la trouve dans la plupart des constructions traditionnelles et immeubles d’habitation ;

Ventilation hybride, combine les avantages de la ventilation naturelle et de la ventilation mécanique. Le système est piloté suivant les conditions climatiques et bascule automatiquement entre le mode naturel et le mode assistance mécanique. Ceci permet de profiter au maximum des forces motrices naturelles réduisant ainsi au minimum la consommation électrique des auxiliaires.

Ventilation mécanique contrôlée simple flux, plutôt présente dans les habitats individuels et collectifs récents et dans les bâtiments du secteur tertiaire ;

ventilation électrique contrôlée double flux, surtout présente dans les bâtiments tertiaires ;

Ventilation centralisée, contrôlée par une ou plusieurs centrale de traitement d’air, avec ou sans recyclage d’air. On la trouve surtout dans les bâtiments tertiaires (hypermarchés, centres commerciaux et immeubles de bureaux, Laboratoires).

Utilisations

Dans les mines

En milieu de soins

Plusieurs travaux de l'OMS recommandent la ventilation naturelle en milieu hospitalier, comme l'une des mesures environnementales efficaces pour réduire le risque de propagation d'infections en milieu de soin. L'OMS spécifie notamment des débits minimums par patient.

La ventilation mécanique contrôlée peut s'avérer dans certaines circonstances plus efficace que la ventilation naturelle mais présenter des noyaux de condensation infectieux dans ses composants, et en définitive constituer un risque accru de transmissions de maladie.

Magasins, bureaux, véhicules, lieux publics

Dans de nombreux, pays, un système de ventilation contrôlé est obligatoire dans tout lieu clos accueillant du public. Une réglementation spécifique pour chaque type de bâtiments et usages définit les moyens à mettre en œuvres.

Généralement un système de renouvellement à aspiration type VMC grande échelle est la base de la ventilation de ces lieux. Elle intègre généralement la climatisation (chauffage et refroidissement).

Pour satisfaire aux prescriptions réglementaires en matière de sécurité, on lui associe, lors de la rénovation ou la construction du bâtiment, un système indépendant de ventilation opérationnelle de grande puissance permettant d'aspirer les fumées d'un d'incendie. Ce système annexe est directement et exclusivement contrôlé par les sapeurs-pompiers lorsqu'ils se rendent sur place.

Laboratoires

Les laboratoires d'analyse et de recherche ainsi que certains sites de fabrication sont munis de systèmes de ventilation spéciaux.

L'air venant de l'extérieur est filtré, chauffé ou refroidit, humidifié ou déshydraté, soufflé et répartit dans les pièces, ensuite il est extrait, filtré ou recyclé avant d'être rejeté à l'extérieur. La pression dans chaque pièce et les diverses consoles est contrôlée (surpression ou dépression).

Ceci, afin que la santé des chercheurs et des opérateurs ne soit pas compromise par les produits manipulés. Ces produits peuvent être des micro-organismes, des produits chimiques, des matières explosives ou toxiques.

Les produits de recherche ne doivent pas être contaminés par d'autres produits ou poussières, pas plus que certains gaz ou produits ne doivent pas s'échapper à l'extérieur et contaminer l'environnement.

Il en est de même pour la fabrication des sondes spatiales, des circuits électroniques et puces d'ordinateur et d'autres produits, qui sont obligatoirement fabriqués dans une salle blanche, c'est-à-dire sans poussière.

Unités de fabrication

Dans les usines, les unités de fabrication mettent en pratique les découvertes des chercheurs. Les ouvriers et opérateurs doivent pouvoir œuvrer sans danger pour leur santé. Les mêmes conditions de ventilation que pour les laboratoires s'appliquent encore, parfois à plus grande échelle.

Tunnels routiers

Des ventilateurs en attente de pose dans le Tunnel de l'A14 à la Défense

La ventilation des tunnels routiers pose un problème particulier, notamment en ville : il est nécessaire d'évacuer les gaz d'échappement des moteurs thermiques des véhicules, et la fumée toxique en cas d'accident.

Pour les tunnels assez courts ou en pente, une ventilation naturelle peut suffire, éventuellement assistée de ventilateurs qui forcent la circulation permanente de l'air.

Pour les plus grands tunnels, les gaz sont en général aspirés via des cheminées et rejetés à l'air libre au-dessus du niveau du tunnel. Cette méthode peut aboutir à une forte pollution de la zone autour du point de rejet. Ce fait est évidemment néfaste, surtout si elle correspond à une zone fortement urbanisée (exemple : le plateau de la Croix-Rousse à Lyon, situé au-dessus d'un des plus anciens tunnels routiers de France 1952).

À la suite de l'incendie du tunnel sous le mont-Blanc, une vaste campagne de mise aux normes de la ventilation des tunnels en France est en cours.

Véhicules automobiles

Utilisations particulières et problèmes liés

En ville ou en zone industrielle, il est parfois difficile de trouver de l'air propre.

Dans n'importe quel intérieur mal ventilé, la majorité des polluants sont généralement produits au sein même de l'habitat

L'entretien des gaines et des éventuels filtres est souvent mal fait ou oublié.

La ventilation n'est pas toujours correctement dimensionnée, dans les salles de classe notamment, ou alors elle se fait avec des pertes importantes de calories.

La climatisation qui est de plus en plus souvent associée est une source de pollution et de gaspillage d'énergie.

La ventilation par gaines peut induire des bruits désagréables voire nuisibles à la santé, si la conception et/ou le montage comportent des lacunes ou des manquements.

Pour le bon fonctionnement de la Ventilation mécanique contrôlée ou de la Ventilation par insufflation, il convient de veiller à leur état de propreté et à ne pas boucher les entrées ou les sorties d'aération .