Article AUGC IBPSA Double peaux v8 - Polytech Annecy

Influence des données aérauliques sur le
comportement d’un bâtiment pourvu d’une
façade double-peau.
Gondre Damien1, Savoyat Jérôme1, Johannes Kévyn1, Virgone
Joseph1
1
CETHIL, UMR 5008, Université Lyon 1, INSA-Lyon, Domaine scientifique de
la Doua, Bât. Sadi Carnot, 9 rue de la physique, 69621 Villeurbanne Cedex, France
Adresse e-mail de contact : [email protected]
RÉSUMÉ. Le couplage d’une simulation thermique (Trnsys) à une simulation aéraulique
(Contam) permet, avec la nouvelle version de Trnsys, de modéliser des bâtiments comprenant
des façades double-peau : le mode de calcul du rayonnement est assez détaillé pour tenir
compte des flux traversant la double peau et les conditions aux limites du modèle aéraulique
sont bien prises en compte pour déterminer la température des flux d’air traversants. Une
étude paramétrique portant sur les valeurs de perméabilité de la façade étudiée, de la vitesse
du vent et de son orientation a montré, sur le bâtiment étudié, que l’influence de ces
paramètres est négligeable sur le calcul des températures intérieures et des besoins
énergétiques du bâtiment. Une campagne de mesures effectuée dans le cadre du projet
SEEMPubS permettra peut-être de valider cette méthodologie. Une étude similaire devra par
ailleurs être menée pour étudier l’influence du rayonnement solaire sur les résultats.
ABSTRACT. The dynamic coupling between a thermal model (TRNSys) and an airflow
model (Contam) allows, with the new Trnsys release, the modeling of a building provided
with double-skin façades: the calculation of the radiation heat transfer is enough detailed to
take in account the radiative flux passing through the double-skin and the boundary
conditions of the airflow model are correctly set for the calculation of the crossing air flow
temperature. A parametric study on airflow path values, wind speed and wind direction
showed, on the studied building, that the influence of these parameters is negligible on
internal temperatures and energy needs calculations. An experimental study will be done in
SEEMPubS project and may allow definitive validation of this method. Besides, a similar
study should be lead on the influence of solar radiation.
MOTS-CLÉS : Façade double-peau, simulation thermo-aéraulique, Trnsys, Contam,
couplage de modèles
KEY WORDS: Double-skin façade, coupled thermal and airflow simulation, Trnsys, Contam,
model coupling
XXXe Rencontres AUGC-IBPSA
Chambéry, Savoie, 6 au 8 juin 2012
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De plus en plus de bâtiments à façade de type « double-peau » sont construits en
France et dans le monde. Si les variantes sont nombreuses, le principe reste bien
souvent de concentrer, en hiver, le rayonnement solaire afin d’optimiser l’utilisation
des apports externes pour le chauffage du bâtiment. A l’inverse, en été, ces façades
permettent souvent de réaliser une isolation thermique dynamique par ventilation
naturelle. La façade, ouverte sur l’extérieur à sa base et à son sommet fait office
d’espace tampon. L’air capte l’énergie du rayonnement solaire, s’échauffe, s’élève,
et s’évacue par convection naturelle par le haut de la façade.
Quelle que soit la variante étudiée, il est difficile d’établir des modèles
numériques simples à mettre en œuvre qui décrivent bien les phénomènes physiques
mis en jeu. La température de l’air à l’intérieur de la double-peau dépend en effet
grandement du rayonnement solaire incident, qui doit donc être traité avec un
modèle relativement détaillé. Ce rayonnement traverse la double façade pour
atteindre le local et sa quantification n’est pas facile à prendre en compte dans les
modèles macroscopiques de bâtiments généralement utilisés. En outre, le gradient de
température dans le canal est important si bien que les modèles macro-zones comme
Trnsys ne permettent a priori pas de modéliser de manière satisfaisante les cellules
de convection naturelle qui se mettent en place.
Si la modélisation CFD parait être la méthode la plus rigoureuse et la plus
adaptée à l’étude détaillée des façades « double-peau » [PAS 12], les récents
développements de Trnsys permettent toutefois d’envisager une modélisation du
rayonnement solaire plus satisfaisante qu’avant, ainsi qu’une meilleure prise en
compte des gradients thermiques à l’intérieure d’une zone. Pour les projets
cherchant principalement à caractériser l’influence d’une façade double-peau sur le
reste du bâtiment, sans chercher à étudier de manière très détaillée le comportement
de la double-peau en elle-même, Trnsys pourrait être une solution alternative aux
modélisations CFD qui serait plus simple à mettre en œuvre, moyennant quelques
hypothèses simplificatrices.
Cette étude se focalise sur l’influence des paramètres liés à la simulation
aéraulique, et ne cherche pas à évaluer l’influence du rayonnement solaire sur les
résultats obtenus. Une seconde étude tout autant détaillée serait nécessaire pour
mesurer l’influence des variations des paramètres du rayonnement solaire sur le
comportement d’une façade double-peau.
1. Méthodologie
La méthodologie proposée utilise le logiciel de calculs thermiques dynamiques
Trnsys, qui possède un modèle bâtiment multizone intégré (Type 56). Trnsys
effectue à chaque pas de temps des bilans d’énergie et de matière en prenant en
compte les données météorologiques, la géométrie du bâtiment, les charges internes
et les systèmes thermiques installés pour calculer les températures, les besoins de
chauffages ou encore l’humidité relative de chaque nœud de calcul. Depuis la
version 17, un mode de calcul plus détaillé des transferts radiatifs, basé sur les
Influence des données aérauliques sur le comportement d’un bâtiment pourvu d’une façade double-peau
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facteurs de formes, a été développé. Cette méthode
détaillée permet de calculer surface par surface les
échanges convectifs et radiatifs quand la méthode
simplifiée n’évaluait la convection et le rayonnement
que de manière globale (figure 1).
Les équations utilisées pour le calcul des facteurs
de formes imposent toutefois que les volumes étudiés
soient convexes, c'est-à-dire que deux points
quelconques d’une zone puissent être reliés par une
droite qui ne sorte pas de la zone [TRN 10]. Cette
contrainte oblige parfois à simplifier la géométrie du
modèle, notamment dans le cas de parois courbes,
mais elle s’adapte généralement plutôt bien aux
façades double-peau qui sont généralement à
géométrie parallélépipédique.
Figure 1. Différences
entre modèle standard de
calcul du rayonnement (en
haut) et détaillé (en bas).
Trnsys 17 permet également de définir plusieurs
nœuds de calculs dans une seule zone thermique.
Cette fonctionnalité permet de diviser le volume d’une
paroi double-peau en plusieurs strates thermiques de
manière à calculer la température moyenne de chaque strate et simuler ainsi
macroscopiquement le gradient thermique à l’intérieur du canal de la paroi (figure
2). Il est alors possible de quantifier les échanges convectifs entre les nœuds de la
zone par l’utilisation simultanée de modèles aérauliques tel que Contam. Ce modèle
prend comme données d’entrées la température des zones et calculent les valeurs des
flux d’air entre les nœuds (coupling). Les deux modèles s’échangent itérativement
les données à chaque pas de temps jusqu’à convergence (ping pong).
Si l’architecture de cette méthodologie est aisée à mettre en œuvre et facilement
applicable à tout type de bâtiment, elle requiert néanmoins des données d’entrées
qu’il est parfois difficile de collecter, notamment au niveau du modèle aéraulique. Il
est alors intéressant d’étudier l’incidence qu’ont les données d’entrées du modèle
aéraulique sur les résultats.
2. Description du modèle mis en œuvre
Le bâtiment étudié fait partie du Politecnico di Torino et fait l’objet de
simulations thermiques et de mesures expérimentales dans le cadre du projet
européen SEEMPubs ("Smart Energy Efficient Middleware for Public Spaces").
L’objectif de ce projet est de permettre la réalisation d’économies d’énergies dans
les bâtiments, lorsque la rénovation de l’enveloppe thermique n’est pas possible ou
trop couteuse, par la mise en œuvre de solutions de contrôle en temps réel de
l’éclairage, du chauffage, de la ventilation et de la climatisation par un réseau de
capteurs et de détecteurs de présence [SEE 11].
2.1 Données géométriques
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La figure 2 ci-dessous
dessous montre une vue en coupe détaillée du modèle étudié,
étudié ainsi
que des vues en plan et en coupe de l’étage
l’
du bâtiment sur lequel
equel s’étend la doubledouble
peau. Celle-ci a été décomposée en huit nœuds : quatre nœuds verticalement
superposés côté extérieur et quatre nœuds en regard, verticalement superposés côté
intérieur.. Le modèle aéraulique (CONTAM) calcule les flux d’air (flèches bleues)
b
entre les nœuds thermiques (points rouges) du système.
système
Figure 2. Coupe de principe du bâtiment étudié et de sa façade double-peau
peau
Le bâtiment est isolé et toutes les surfaces vitrées sont à double vitrage. Les
menuiseries sont globalement fixes, mais des ouvertures peuvent être manuellement
activées sur les partiess hautes et basses de la façade extérieure.
2.2 Données météorologiques
Le modèle a été testé sur deux périodes différentes. Le comportement de la
double peau est étudié en été (1er juillet – 14 juillet) dans un premier temps, puis en
hiver (1er décembre – 14 décembre) avec dans les deux cas cinq jours de mise en
température du bâtiment avant exploitation des résultats. Le fichier météorologique
utilisé pour les simulations
ulations correspond à la ville de Turin (Italie) fournit par
METEONORM. Ses principales caractéristiques pour les deux périodes étudiées
sont présentées dans les figures 3.
2.3 Données thermiques
Le local étudié est un couloir adjacent à deux salles informatiques
informatiques d’une capacité
d’environ 20 occupants chacune. En été, aucun système de climatisation n’a été pris
en compte afin d’observer l’influence de la double-peau sur les
es températures
intérieures. En hiver, un chauffage "parfait" (puissance illimitée et effet instantané) a
été considéré dans les laboratoires comme dans le couloir.
couloir. Ce sont donc les besoins
qui seront étudiés et non les températures.
températures
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Période estivale (1/07 au 14/07)
Période hivernale (1/12 au 14/12)
15
35
30
10
25
20
5
15
10
0
5
0
-5
Temps
Temps
Température extérieure (°C)
400
1000
350
800
300
250
600
200
400
150
100
200
0
5
50
0
Temps
Temps
Rayonnement horizontal total (W/m²)
Rose des vents
Figure 2. Données météorologiques des périodes étudiées
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Les occupations ainsi que les températures de consigne considérées sont
présentées dans la figure 4.
Figure 4. Scénarios d’occupation
L’utilisation d’un pas de temps d’une heure engendre des problèmes de
convergences au niveau de la liaison ping-pong
ping pong entre Trnsys et Contam. Afin de
palier ce problème, la seule solution envisagée fut de diminuer le pas de temps afin
d’augmenter le nombre de valeur intermédiaires et de supprimer lee problème de
convergence. Les simulations réalisées pour cette étude utilisent donc un pas de
temps de 2 min, ce qui augmente considérablement le temps de la simulation (qui
passe d’environ 1 min à 15 min pour une simulation de 15 jours).
2.4 Données aérauliques
Pour calculer le débit d’air entre une zone a et une zone b, Contam utilise
l’équation
.
, où les coefficients et doivent être renseignés pour
chaque trajet potentiel d’écoulement d’air (porte,
rte, fenêtre, cage d’escalier, fissure,
ventilation, etc.). Ces coefficients requis sont parfois difficiles à estimer. Le calcul
des pressions
et
considère que les zones sont parfaitement homogènes et que
l’équation de conservation de la masse est
est vérifiée sur l’ensemble du modèle.
Figure 5. Interactions entre TRNSYS et Contam
Le modèle aéraulique demande également de connaître la vitesse et la direction
du vent incident sur le bâtiment, ainsi que de caractériser le comportement de
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l’enveloppe externe vis-à-vis du vent par un profil de coefficients de pressions (wind
pressure coefficients). Des exemples de corrélations existent dans la littérature [ASH
05] pour calculer ces valeurs pour certaines formes de bâtiments à géométrie simple.
Le profil de coefficients utilisé dans cette simulation est présenté dans la figure 6.
Coefficient de pression, Cp (-)
1,00
0,75
0,50
0,25
0,00
-0,25
L/W=1/4
L/W=1
L/W=4
L/W=8
L/W=1/8
-0,50
-0,75
-1,00
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Angle θ du vent (°)
Figure 6. Coefficients de pression moyens dans le cas de grands bâtiments
Le rapport longueur sur largeur L/W est de 1/8 pour ce bâtiment. Les
corrélations présentées ont donc été extrapolées pour obtenir des valeurs adéquates.
De plus, les données relatives au vent (vitesse, direction) sont souvent relevées
dans des stations météo situées près des aéroports, donc en milieu découvert. Or la
vitesse et surtout la direction du vent sont fortement influencées par le milieu urbain
environnant (densité d’habitation, taille des bâtiments, agencement). Il est donc
nécessaire d’adapter les données d’entrées utilisées dans le modèle. La vitesse du
vent peut par exemple être modifiée suivant la méthode proposée par [ASH 05], et
dont le calcul est détaillé ci-dessous.
:vitesseduventcorrigée
:vitesseduventmesurée
:layerthickness m 270m
:distanceausoldelamesure 2m
@
avec
6
:exposant
0.14
!
∶ distanceausoldelafaçadeétudiée 11m
:layerthickness m 460m
6:exposant 0.33
"
d’où
0.58
.
Afin d’étudier l’influence de la vitesse et de l’orientation du vent, plusieurs
variantes ont été étudiées (trois variantes de vitesse : 0,1 V0, V0 et 10 V0, deux
variantes d’orientation en hiver : θ0, θ0 + 225° et trois variantes d’orientation en été :
θ0, θ0 + 90° et θ0 + 180°).
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La perméabilité des parois vitrées a été évaluée à 1,15 cm² d’ouverture par m² de
façade. Cela correspond à la perméabilité usuelle moyenne de la littérature [PER 86]
pour une vitre à châssis fixe. Deux variantes ont également été testées. Elles
correspondent à une paroi peu perméable (0.58 cm²/m²) et à une paroi très
perméable (1.73 cm²/m²). Des ouvertures ont également été prévues en haut et en
bas de la façade double-peau, côté extérieur. Elles permettent de tester des variantes
avec ventilation naturelle. Ces variantes ont été testées en période estivale seulement
(en hiver, on cherche à tirer partie de l’effet de serre induit par la double-peau).
3. Etude paramétrique
Les deux études présentées ci-après sont totalement indépendantes l’une de
l’autre. En effet, les critères de comparaison utilisés ne sont pas les mêmes (besoins
de chaud pour l’hiver, et température du couloir pour l’été).
3.1 Période estivale
Les tableaux 1 et 2 ci-dessous présentent les résultats pour les six variantes
étudiées dans le cas de fenêtres fermées d’une part, et de fenêtres ouvertes en haut et
en bas d’autre part. Le tableau 3 complète l’étude en présentant une dernière
variante avec uniquement les fenêtres hautes ouvertes. Le critère retenu pour
comparer les différentes variantes est l’écart absolu moyen1 de la température du
couloir entre la série de référence (V0, θ0, L = 1,15 cm²/m²) et la variante.
Tableau 1. Ecart absolu moyen de la température du couloir pour l’étude
paramétrique fenêtres fermées, en période estivale
0,1 V0
Orientation du vent
θ0
Perm.
Vitesse du vent
θ0
θ0 + 90 °
10 V0
θ0 +180°
θ0
0,9.10-3 °C
0,58 cm²/m²
1,15 cm²/m²
V0
0,8.10-3 °C
-
0,5.10-3 °C 0,8.10-3 °C 2.10-3 °C
0,7.10-3 °C
1,73 cm²/m²
Tableau 2. Ecart absolu moyen de la température du couloir pour l’étude
paramétrique fenêtres ouvertes en haut et en bas, en période estivale
0,1 V0
Orientation du vent
θ0
Perm.
Vitesse du vent
1,73 cm²/m²
θ0
θ0 + 90 °
10 V0
θ0 +180°
θ0
4,2.10-3 °C
0,58 cm²/m²
1,15 cm²/m²
V0
4,0.10-3 °C
-
4,1.10-3 °C 4,2.10-3 °C 7,8.10-3 °C
4,1.10-3 °C
L’écart absolu moyen EAM de deux séries 1 et 2 de n valeurs est calculé
suivant la formule suivante : CDE F∑LNOHIJ,L IM,L HP⁄
1
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Tableau 3. Ecart relatif moyen de la température du couloir entre les trois cas
d’ouvertures considérés, en période estivale
Ouvertures fenêtres
Aucune
En haut
En haut et en bas
V 0, θ 0,
L = 1,15 cm²/m²
-
4,2.10-3 °C
44,7.10-3 °C
Ces tableaux montrent une influence quasi-inexistante des variables étudiées sur
la température du couloir adjacent à la double-peau. En effet, les variations de
l’écart absolu moyen sont toujours de l’ordre du millième de degré, sauf lorsqu’on
compare deux situations différentes d’ouverture de la double-peau où les écarts
moyens sont de l’ordre du centième de degré (ce qui reste des écarts très faibles et
négligeables). La faible variation des résultats peut s’expliquer par une faible
différence, en été, entre la température extérieure et les températures intérieures.
Ainsi, que la double-peau soit ouverte ou fermée, ou qu’il y ait beaucoup de vent ou
pas, n’entraîne pas d’échanges thermiques importants entre l’intérieur du bâtiment
(couloir) et l’extérieur.
3.2 Période hivernale
Le critère retenu pour comparer les différentes variantes en période hivernal est
l’écart relatif des besoins de chaud du couloir, entre la série de référence (V0, θ0, L =
1,15 cm²/m²) et la variante. Le tableau 4 ci-dessous récapitule les résultats des cinq
variantes, ainsi que de deux variantes additionnelles correspondant à des parois très
perméables.
Tableau 4. Ecart relatif des besoins (kWh/m².an) pour l’étude paramétrique
fenêtres fermées, en période hivernale
Vitesse du vent
0,1 V0
Orientation du vent
θ0
Perm.
θ0
10 V0
θ0 + 225 °
θ0
≈ 0,01
0,13
≈ - 0,01
0,58 cm²/m²
1,15 cm²/m²
V0
≈ 0,00
-
1,73 cm²/m²
0,01
11,5 cm²/m²
0,16
115 cm²/m²
9,66
Pour la période hivernale, les écarts constatés sur les besoins de chaud sont
également très faibles (inférieurs à 0,2 kWh/m².an pour des valeurs de perméabilité
conventionnelles). Pour que la vitesse ou l’orientation du vent engendre une
influence sur le comportement thermo-aéraulique de la double-peau lorsque les
fenêtres sont fermées, il faut que la perméabilité de la paroi soit élevée, voire très
élevée.
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4. Conclusion
La méthodologie présentée (couplage Trnsys3d / Contam pour la modélisation
de parois double-peau) permet de simuler un comportement macroscopique cohérent
d’une paroi double-peau et présente l’avantage d’être facilement modulable (actions
sur les ouvertures et sur la position des stores facile à mettre en œuvre, même si peu
utilisé dans cette étude).
Cette étude, axée sur l’influence relative de paramètres liés à la modélisation
aéraulique du bâtiment, montre que la dépendance des résultats à ces paramètres est
très faible, voire négligeable.
Par conséquent, cette méthodologie pourrait être mise en œuvre sur d’autres cas
de bâtiments à façade double-peau, sans que la vitesse du vent, son orientation ainsi
que la perméabilité à l’air de la paroi n’aient à être renseignés avec une grande
précision. Cette conclusion permet d’envisager une modélisation plus-aisée de
bâtiments à façade double-peau dans le cas de projets où l’on cherche
principalement à caractériser le comportement du bâtiment et non de la façade en
elle-même. Cela permet en effet d’éviter le calcul complexe de la vitesse locale du
vent ainsi que de son orientation (influencées par le milieu urbain environnant, plus
ou moins dense). Les résultats montrent également que l’influence sur les résultats
de la perméabilité de la paroi est très faible pour des valeurs de perméabilité
conventionnelles.
Cette méthode reste encore à valider par une étude de l’influence du
rayonnement solaire sur les résultats, ainsi que par une confrontation des résultats
numériques aux valeurs expérimentales. Ce travail sera effectué dans la suite du
développement du projet SEEMPubS.
5. Bibliographie
[PAS 12] PASUT W., DE CARLI M., « Evaluation of various CFD modelling strategies in
predicting airflow and temperature in a naturally ventilated double skin façade », Applied
Thermal Engineering, vol. 37, May 2012, p. 267-274.
[ASH 05] ASHRAE, Fundamentals 2005: Airflow around buildings, 2005, p. 3-5.
[PER 86] PERSILY A. K., GROT R. A., « Pressurization Testing of Federal Buildings »,
Measured Air Leakage of Buildings, 1986. ASTM STP 904. H. R. Trechsel and P. L.
Lagus, Eds. American Society for Testing and Materials, p. 184-200.
[TRN 10] TRNSYS 17 – Volume 5 – Multizone Building modeling with type56 and TRNBuild,
Madison, WI, USA, 2010. p. 85-88.
[SEE 11] Smart Energy Efficiency Middleware in Public Spaces : http://seempubs.polito.it
Remerciements : ce travail a été réalisé dans le cadre du projet européen SEEMPubS.