Soutenance mémoire
Comportement thermique d’un bâtiment
Le confort thermique
Introduction
La sensation de confort est une notion difficile à quantifier. Elle dépend d’un grand nombre de critères ayant pour but la réalisation d’un équilibre thermique adéquat entre le corps humain et son environnement. La température, la vitesse de l’air, l’humidité relative et la température radiante moyenne sont les principaux paramètres physiques qui régissent la sensation de confort thermique.
Compte tenu de l’importance de ces paramètres physiques dans l’intensité des échanges thermiques, plusieurs recherches (Benzinger, 1978; Fanger, 1970) ont mis l’emphase sur une meilleure compréhension du confort thermique. Fanger a développé un modèle permettant d’évaluer le confort thermique qui est considéré comme l’un des modèles le plus représentatif sur le plan quantitatif et qualitatif. Ce modèle tiens compte de deux facteurs pour qu’une personne soit en situation de confort thermique :
1. Le bilan thermique entre l’occupant et son environnement; 2. L’évaporation sudorale.
La méthode de Fanger, reprise dans la norme ISO 7730 (Organisation internationale de normalisation, 2005) et décrite par la norme ASHRAE 55 (ANSI/ASHRAE Standard 55, 2004), analyse les conditions de confort thermique et introduit deux des indices analytiques d’astreinte thermique, le « vote moyen prévisible » (PMV) et le « pourcentage de personne non satisfaite » (PPD). D’autres études subséquentes à celle de Fanger, ont permis l’évaluation du confort et son influence directe sur la consommation énergétique et sur la productivité en milieu de travail (Inard, A.Meslem et P.Depecker, 1998; Taffé, 1997).
Une panoplie de recherches récentes a mis l’accent sur l’importance de l’évaluation du confort thermique dans les enceintes des bâtiments. Citons, Ismail Budaiwi (Budaiwi, 2007), qui présente une approche par laquelle les problèmes de confort thermique, liés aux disfonctionnements des systèmes CVCA, aux changements de caractéristiques opérationnelles et physiques du bâtiment et au comportement variable des occupants, peuvent être évalués, identifiés et traités d’une manière systématique sans utiliser des ressources ou un temps énorme. Cette approche comporte trois phases importantes : la première est une vérification des conditions de confort qui règnent dans le bâtiment et du degré de non satisfaction des occupants. Une fois que ces conditions sont vérifiées, la deuxième phase a pour but de déterminer avec exactitude les causes de cet inconfort, pour que la troisième phase se charge de trouver des solutions rapides et efficaces à ces problèmes d’inconfort thermique.
D’autres recherches effectuées en parallèles, permettent l’évaluation dynamique du confort thermique par le biais d’indices de confort instantanés (Hanqing et al., 2006). Ces recherches montrent l’influence du confort thermique sur le rendement énergétique (Kumar et A.Mahdavi, 2001), la diminution des charges thermiques dans les bâtiments (Henze et al., 2007) et l’augmentation du rendement scolaire des étudiants travaillant dans des conditions de confort optimales (Corgnati, M.Filippi et S.Viazzo, 2007; Hwang, T.P.Lin et N.J.Kuo, 2006).
La plupart de ces études sont basées sur le calcul des indices de confort thermique PMV et PPD, et mettent en évidence leurs importances dans la perception d’un environnement thermique intérieur confortable. Une étude récente menée par Cheong et al. (Cheong et al., 2007), met en perspective d’autres indices de confort tel que la sensation thermique locale (LST), le confort thermique local (LTC) et la sensation thermique globale (OST) qu’il est recommandé d’utiliser, par exemple, dans le cas d’une ventilation par déplacement. Ces indices sont calculés et mesurés dans chaque région du corps humain : le pied, le bras, la main et le dos. Ce groupe de recherche mentionne que dans le cas d’une ventilation par déplacement où l’environnement n’est généralement pas uniforme, il est plus précis de calculer les indices LTS, LTC et OTS. Cependant, les indices PMV et PPD peuvent être calculés localement dans le cas où les conditions de confort sont hétérogènes. La norme ASHRAE 55 recommande l’évaluation des indices PMV et PPD à des hauteurs qui correspondent respectivement aux pieds, genoux, hanches et tête de l’occupant.
La norme ASHRAE 55
Le confort thermique global
Le confort thermique se traduit par la détermination de deux indices PMV et PPD décrits par la norme ISO 7730 (Organisation internationale de normalisation, 2005) et ASHRAE 55.L’indice PMV prédit la valeur moyenne des votes d’un groupe important de personnes (plus de 1000) en se référant à une échelle subjective comportant 7 points de « très chaud » à « très froid »:
Cet indice est basé sur l’équation du bilan thermique (ANSI/ASHRAE Standard 55, 2004) et est déterminé en fonction du métabolisme, de l’isolement vestimentaire et des quatre paramètres climatiques (Ta, Tg, Th, V a). L’équation 2.1 donne l’expression du PMV en fonction du taux métabolique (M), de la chaleur interne produite par le corps humain (MW) et les différents modes de pertes de chaleur (HL1, HL2,…….., Etc.).
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE BIBILOGRAPHIQUE
1.1 Comportement thermique d’un bâtiment
1.2 La consommation énergétique des bâtiments
1.3 L’évolution des méthodes de simulation d’un bâtiment
1.3.1 Les modèles monozones
1.3.2 Les modèles multizones
1.3.3 Les modèles zonaux
1.3.4 Les modèles Navier-Stokes (NS)
1.3.5 Couplage entre les modèles de simulation énergétique ES et les codes NS ..17 1.4 Différents types de simulation
1.4.1 La modélisation énergétique
1.4.2 La modélisation aéraulique
1.4.3 La modélisation thermo-aéraulique
1.4.4 La modélisation hygro-thermo-aéraulique
CHAPITRE 2 LE CONFORT THERMIQUE ET LA QUALITÉ DE L’AIR
2.1 Le confort thermique
2.1.1 Introduction
2.1.2 La norme ASHRAE 55
2.1.2.1 Le confort thermique global
2.1.2.2 La température radiante moyenne
2.1.2.3 Métabolisme et isolement vestimentaire
2.1.2.4 Le confort thermique local
2.2 La qualité de l’air
2.2.1 Introduction
2.2.2 La norme ASHRAE 62
2.2.2.1 Le niveau acceptable de la qualité de l’air
2.2.2.2 Le taux d’apport d’air extérieur
2.2.2.3 L’âge moyen de l’air 2.3 Efficacité des systèmes de ventilation
2.3.1 La ventilation par mélange
2.3.2 La ventilation par déplacement
2.3.3 La ventilation par écoulement à effet piston
2.3.4 La ventilation à circuit court
CHAPITRE 3 MÉTHODOLOGIE NUMÉRIQUE ET EXPÉRIMENTALE
3.1 Modèle numérique
3.2 Hypothèses de calcul
3.3 La mise en équation
3.4 La résolution numérique
3.5 Le calcul des indices de confort thermique
3.6 Protocole expérimental
3.6.1 Description de la pièce modèle
3.6.2 Construction de la pièce modèle
3.6.3 Dispositifs et appareils de mesure
3.6.3.1 Mesure de la température
3.6.3.2 Mesure de la vitesse d’écoulement
3.6.3.3 Mesure de la température radiante
3.7 Conclusion du chapitre
CHAPITRE 4 RÉSULTATS DE L’ÉTUDE BIDIMENSIONNELLE
4.1 Chauffage par convection naturelle
4.1.1 Les conditions initiales et aux limites
4.1.2 Le maillage
4.1.3 Profils de vitesses et de températures
4.1.3.1 Vecteurs vitesses et lignes de courant
4.1.3.2 Températures
4.1.4 Comparaison des indices de confort thermique PMV et PPD
4.1.5 L’asymétrie radiante et l’indice d’inconfort PD
4.2 Ventilation par le plancher
4.2.1 Dimensions et conditions aux limites
4.2.2 Le maillage
4.2.3 Profils de vitesses et de températures
4.2.4 Les indices de confort thermique
4.2.5 L’asymétrie radiante et l’indice d’inconfort PD
4.3 Conclusion du chapitre
CHAPITRE 5 RÉSULTATS DE L’ÉTUDE TRIDIMENSIONNELLE
5.1 Chauffage et ventilation par le plancher
5.1.1 Dimensions et conditions aux limites
5.1.2 Le maillage
5.1.3 Profils de vitesses et de températures
5.1.3.1 Vecteurs vitesses et lignes de courant
5.1.3.2 Températures
5.1.4 Les indices de confort thermique
5.2 Climatisation
5.2.1 Dimensions et conditions aux limites
5.2.1.1 Le maillage
5.2.2 Profils de vitesses et de températures
5.2.2.1 Les vitesses d’écoulements
5.2.2.2 Températures
5.2.2.3 Indices de confort thermique
5.3 Conclusion du chapitre
CHAPITRE 6 RÉSULTATS DE LA QUALITÉ DE L’AIR INTÉRIEUR
6.1 La qualité de l’air intérieur
6.1.1 Description de la pièce modèle
6.1.2 Gaz traçant
6.1.3 Conditions aux frontières
6.1.4 Résultats
6.1.4.1 Ventilation par mélange
6.1.4.2 Ventilation par déplacement
6.1.5 Efficacité des stratégies de ventilation
6.2 Conclusion du chapitre
CHAPITRE 7 RÉSULTATS DU CAS MULTIZONE
7.1 Introduction
7.2 Description du cas de simulation
7.2.1 Configuration du bâtiment multizone
7.2.2 Conditions aux limites
7.2.3 Le maillage
7.2.4 Profils de vitesses et de températures
7.2.4.1 Les vitesses
7.2.4.2 Les températures
7.2.4.3 Les concentrations
7.2.4.4 Efficacité du système de ventilation
7.3 Conclusion du chapitre
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
ANNEXE I TABLEAUX ET COURBES DE DISTRIBUTION DE L’INDICE D’INCONFORT PD
ANNEXE II PHOTOS DE LA PIÉCE MODÈLE ET DES DISPOSITIFS
ANNEXE III CALCUL DES ÉCHANGES THERMIQUES PAR RAYONNEMENT…153 ANNEXE IV PROGRAMME DE CALCUL DES INDICES DE CONORT THERMIQUE
ANNEXE V SYSTÉMES D’ÉQUATIONS DU MODÈLE « LES »
BIBLIOGRAPHIE
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