114 Figure IV.5 : Effet de la température de fusion du PCM sur le comportement thermique du bâtiment. 127 Figure IV.16 : Effet de la prise en compte du CLO sur la température de sortie des canalisations.
Positionnement de la simulation numérique dans la réduction de
Analyse du cycle de vie des bâtiments
La consommation d'énergie primaire (dans la catégorie « utilisation des ressources naturelles »), qui, en fonction de la quantité d'énergie finale relative 1 Analyse théorique de la réduction de l'impact environnemental des bâtiments 1.1 Analyse du cycle de vie des bâtiments.
Démarche de réduction de la consommation d’énergie dans le bâtiment
Maîtrise des besoins de chauffage et confort d’été
On peut alors calculer la zone de confort qui s'étend de part et d'autre de la température de confort. 1 Analyse théorique de la réduction de l'impact des bâtiments sur l'environnement 1.3 Maîtrise des besoins de chauffage et du confort d'été.
Labels certifiant la performance énergétique des bâtiments
- Exigences des labels
- Règles de l’art préconisées
Pour éviter que l'air froid ne souffle directement dans la maison en hiver, les deux principaux systèmes utilisés dans les bâtiments basse consommation sont la ventilation double flux et l'échangeur air-sol. Nous avons vu ici à travers les labels quelles sont les règles de l'art qui permettent de concevoir des bâtiments à faible consommation.
Maisons de la plateforme INCAS
Le revêtement intérieur sera en enduit à la chaux pour profiter de l'inertie des murs. La première maison sera équipée de menuiseries PVC tandis que la seconde sera en bois.
Conclusion
La simulation au service de la théorie et des règles de l’art
Dans le cas 1, des hottes sont placées au dessus des fenêtres de la façade sud, et on voit que ce dispositif permet de baisser la température intérieure de quelques degrés tout en restant à des niveaux très élevés. Enfin, dans le cas 3, on voit qu'en ajoutant une surventilation nocturne on peut atteindre des niveaux de température dans la zone de confort.
Retour d’expérience et comparaison inter logiciels
Ces logiciels sont très différents les uns des autres de par leur architecture, leur niveau de granularité et les modèles qui y sont implémentés (voir paragraphe 1.2.2 du Chapitre II), cependant, on peut voir sur la Figure I.1 que leurs résultats de simulation de les besoins en chauffage sont très proches. Au vu du retour d'expérience et de cette comparaison entre logiciels, on peut donc considérer que les résultats des outils de simulation actuels concernant les besoins de chauffage conventionnels d'une maison basse consommation sont cohérents et correspondent à la moyenne de la consommation énergétique finale enregistrée expérimentalement. .
Simulation du comportement énergétique des bâtiments basse
Besoins en terme de simulation des bâtiments basse consommation
En effet, il est nécessaire de disposer d'outils simples pour pouvoir prendre rapidement des décisions prudentes dès l'esquisse, indispensables pour ne pas se retrouver avec une proposition qui sera ensuite difficile à rendre effective. C'est un point très important, car actuellement l'exploitation intelligente d'un suivi expérimental direct et précis du bâtiment est impossible, ce qui signifie que l'utilisateur ne peut à aucun moment savoir s'il existe des écarts dans le comportement énergétique du bâtiment. Bâtiment.
Environnements de simulation existants
- Architecture logicielle des environnements de simulation
- Classification en terme d’usage des outils existants
Il doit être clair que ce n’est pas parce qu’un environnement de simulation est basé sur un langage de programmation objet qu’il sera lui-même orienté objet. Les environnements de simulation basés sur des systèmes d'équations permettent d'éviter le problème de sens de résolution inhérent aux environnements modulaires.
Choix d’un environnement de simulation
Parmi les environnements basés sur les systèmes d'équations dont nous disposons, nous avons donc étudié trois possibilités : DYMOLA / MODELICA avec la bibliothèque ATPLUS, IDA-ICE basé sur l'environnement IDA et SIMSPARK basé sur l'environnement SPARK. Il s'appuie sur l'environnement SPARK, que nous verrons dans un premier temps en détail, puis décrirons celui de SIMSPARK dans une seconde partie.
- Description d’une simulation dans S PARK
- Principales propriétés de S PARK
Nous pouvons définir la fonction de classe atomique associée à cette formule de la manière suivante. Prenons l'exemple de la résolution d'un problème de transfert de chaleur à travers une paroi en régime permanent (en ignorant le rayonnement pour simplifier la présentation).
S IM S PARK : Simulation des bâtiments dans S PARK
- Structure de la bibliothèque de S IM S PARK
- Evolution de la plateforme S IM S PARK
Dans le chapitre précédent, nous avons mis en évidence les besoins en termes d'environnement de simulation pour les bâtiments basse consommation, ce qui a conduit au choix de l'environnement SIMSPARK pour réaliser ces travaux. Dans ce chapitre, nous présenterons les modèles développés dans le cadre de ces travaux afin de mettre en évidence l'intérêt de l'environnement de simulation utilisé.
Matériaux à changement de phase dans le bâtiment
Les modèles seront intégrés dans une modélisation globale du bâtiment dans le chapitre suivant, où nous présentons les résultats de simulation les plus importants. Les matériaux à changement de phase font partie des technologies de rupture que l’on souhaite aujourd’hui intégrer dans les bâtiments.
Modèle utilisé
Dans chacun des disques, la conductivité et la chaleur spécifique sont considérées comme uniformes et variables avec la température, donc dans le temps, selon les équations (III.1) et (III.2). Les légers écarts que l'on peut observer sur la valeur atteinte en régime permanent par rapport aux courbes présentées dans la figure III.2 sont dus au fait que l'auteur a considéré dans ses simulations une valeur de conductivité du matériau à changement de phase qui ne fait pas de différence fonction de la température (constante égale à 0,2 W/(m.K)).
Utilisation du modèle
Sur la figure III.5, pour laquelle la température extérieure varie entre 10 et 25 °C, en regardant la courbe inférieure représentant la capacité thermique, on constate que le matériau n'a pas le temps de se liquéfier complètement et qu'à la 25ème heure sa température redescend. . sans atteindre l'état liquide. Sur la figure III.7, on voit cependant que la température MCP passe de part et d'autre de la température de fusion avec une amplitude suffisante pour passer de l'état solide à l'état liquide deux fois par jour.
Conclusion
Pour considérer la partie du spectre solaire de courte longueur d'onde qui atteint la Terre, elle est généralement considérée comme indépendante de la température de la surface qu'elle atteint, car les changements de température de cette surface sont faibles par rapport à la différence entre cette température et la température ambiante. température du soleil. . Il est donc traité comme un flux dont l'intensité est donnée par les fichiers météorologiques sous forme d'éclairement direct horizontal (ED,h) et d'éclairement diffus horizontal (Ed,h).
Rayonnement CLO arrivant sur l’enveloppe extérieure
Les formules utilisées pour les calculer reposent sur l'hypothèse d'un mouvement circulaire de la Terre sur le plan équatorial du Soleil. En effet, les formules de la littérature reflètent une évolution qui ne varie que de jour en jour.
Prise en compte de la tache solaire dans une pièce
- Etat de l’art
- Calcul de la position et de la surface de la tache solaire
- Prise en compte de la tache solaire dans la simulation thermique
- Discussion sur le choix du modèle
Il existe plusieurs méthodes pour calculer la surface des taches solaires sur les murs intérieurs d'une pièce. 2 Etude du rayonnement de courte longueur d'onde (CLO) 2.2 Considération de la tache solaire dans l'espace.
Etat de l’art des modèles d’échangeurs air-sol
- Modèles analytiques
- Modèles numériques
3 Modélisation d'un échangeur air-sol (puits canadien) par la méthode convolutive des facteurs de réponse. 3 Modélisation d'un échangeur air-sol (puits canadien) par la méthode convolutive des facteurs de réponse.
Description du modèle développé
- Bilan des flux en surface du tube sur une tranche
- Bilan des flux en surface du sol sur une tranche
- Evaluation du flux conductif par la méthode des facteurs de réponse
- Bilan le long du tube de l’échangeur air-sol
- Choix des paramètres de réglage du calcul
L'admission De même, la réécriture de l'équation (III.39) nous donne l'expression du flux qui pénètre dans la surface du sol.
Comparaison du modèle développé à un modèle analytique
Ceci montre que la profondeur de pénétration « δ » correspondant à la réduction de 63% de l'amplitude d'un signal sinusoïdal de période « p » peut être valablement estimée par une relation issue d'un raisonnement en conduction plane (formule (III.58)). En revanche, la profondeur de pénétration calculée (2,85 m) pour une période d'un an est supérieure à la distance entre la conduite et le sol, ce qui signifie que ce modèle analytique ne permet pas de prendre en compte correctement la réponse aux signaux avec une amplitude annuelle, et on retrouve donc une différence significative entre les deux modèles.
Discussion sur le modèle de l’échangeur air-sol
- Intérêts du modèle
- Perspectives d’évolution du modèle
- Discussion sur le choix du modèle
3 Modélisation d'un échangeur air-sol (puits canadien) par la méthode convolutive des facteurs de réponse 3.4 Discussion sur le modèle de l'échangeur air-sol. Chaque facteur de réponse est calculé à partir d'un logiciel qui résout l'équation thermique par éléments finis.
Intégration des modèles pour l’évaluation des bâtiments basse
Intégration des MCP au bâtiment
Sur la figure IV.2, la partie supérieure représente, dans les trois cas, l'évolution de la température intérieure au sol qui reste dans la zone de confort matérialisée par les deux courbes en trait continu plein. La dernière ligne souligne l’effet quasi nul de l’installation de panneaux PCM sur les besoins de chauffage.
Choix de la température de fusion du MCP
La figure IV.4 montre la variation de la capacité thermique en fonction de la température du PCM dans différents cas. Nous voyons que changer l’équation ne provoque qu’un déplacement de la courbe d’origine le long de l’axe des températures.
Evolution annuelle de la tache solaire sur les parois d’une pièce
En faisant la moyenne des flux arrivant sur chaque paroi pour chaque jour, on peut obtenir la répartition moyenne de la tache solaire sur toute l'année. 2 Inertie et tache solaire 2.1 Evolution annuelle de la tache solaire sur les murs d'une pièce.
Tache solaire et comportement thermique du bâtiment
Le tableau IV.3 présente les différences entre les besoins de chauffage dans les différents cas considérés pour un bâtiment à forte inertie. Nous sommes conscients que la différence entre les besoins de chauffage avec et sans prise en compte de la position de la tache solaire peut atteindre 8,5%.
Rayonnement CLO et échangeur air / sol
Avant cela, nous voulions savoir quelle influence le rayonnement solaire avait sur le comportement de l'échangeur air-sol. 3 Couplage échangeur air-sol avec bâtiment basse consommation 3.1 Rayonnement CLO et échangeur air/sol.
Echangeur air-sol et ventilation double flux
C'est pourquoi nous essayons ici de comparer l'effet de l'échangeur air-sol et celui de la ventilation double flux sur le comportement du bâtiment. On voit donc que dans le cas étudié, la ventilation double flux semble plus efficace que l'échangeur air-sol pour réduire les besoins de chauffage de la maison.
Inversion d’un modèle de paroi à changement de phase
Par conséquent, nous utilisons les valeurs de la fonction dans le pas de temps de simulation et dans les deux pas de temps précédents pour évaluer la dérivée de la fonction. Nous utilisons la formule de Taylor pour le lien entre la valeur de la dérivée de la fonction au pas de temps i et les valeurs de la fonction aux temps i, i-1 et i-2 (voir formules (IV.3) et (IV .4)).
Inversion d’un modèle complet de bâtiment
On constate que, durant l'hiver, sans surventilation, le taux de renouvellement d'air constaté par la méthode inverse est très proche du taux réellement imposé. Nous avons également montré qu'il était possible de calculer le taux de renouvellement de l'air dans un bâtiment en mesurant sa température intérieure ainsi que la puissance de chauffage nécessaire pour répondre à ses besoins de chauffage.
Définition de l’efficacité solaire d’un bâtiment
Nous avons vu que pour caractériser le comportement énergétique d'un bâtiment on utilise souvent comme critères sa demande de chauffage, sa demande de refroidissement ou encore sa consommation totale d'énergie primaire. C'est à partir de ce constat que nous avons défini la notion d'efficacité énergétique solaire dans un bâtiment.
Méthode de calcul de l’efficacité solaire
La simulation avec soleil donne naturellement moins de puissance de chauffage que sans soleil, le rendement doit donc être positif. Dans le cas 5, la puissance demandée est négative dans la simulation avec soleil (refroidissement), alors que sans soleil il n'y aurait pas besoin de refroidissement (puissance nulle), le rendement solaire est alors considéré comme négatif.
Etude de cas : maison individuelle de la plateforme INCAS
Le calcul du rendement solaire de la maison est réalisé en tenant compte de la météorologie de Chambéry. Le tableau IV.10 présente les résultats du calcul du rendement énergétique solaire passif de l'habitation selon la période considérée.
Modèles de base des transferts de chaleur dans S IM S PARK
Formules utilisées pour le calcul de la surface de la tache solaire
