CasTeelock5.ppt

Report
Analyse du cas TEELOCK
ASSOCIATES
I)
Le contexte
L’activité de recherche de l’équipe
Le logiciel de simulation CODYRUN
II) Le label ECODOM
Historique et objectifs
Les principes
III) Application au cas TEELOCK ASSOCIATES
Simulations CODYRUN
L’application du label
Harry BOYER – Resp. Equipe Génie Civil Thermique Habitat
Thématique du groupe
I) Le contexte
Modélisation de l’habitat et des systèmes associés
1) Evolution de l’outil spécifique CODYRUN
2 ) Environnement TRNSYS
3 ) Modélisation hybride en thermique de l’habitat
4) Approche automatique des systèmes d’état
Validation et expérimentation
1 ) Cellule Expérimentale LGI
2 ) Expérimentation de systèmes de traitement d’air
3) Expérimentation de sites réels
4 ) Automatique appliquée à la mesure
Applications en conception
1) Le label ECODOM
2) Nouveaux procédés d’isolation (Isolants Minces Réfléchissants) dans l’habitat
Harry BOYER – Resp. Equipe Génie Civil Thermique Habitat
Modélisation, expérimentation, validation, applications
Météo
Mesures
Harry BOYER – Resp. Equipe Génie Civil Thermique Habitat
Calcul
CODYRUN et son application
Harry BOYER – Resp. Equipe Génie Civil Thermique Habitat
Maillage du problème thermique
11
10
Mailleur
9
8
1
5
2
3
Harry BOYER – Resp. Equipe Génie Civil Thermique Habitat
7
4
6
5
Le modèle aéraulique
Opening =
{
Building
i, PO, z1, z2, h, k, S, n,…
…
j, GO, z1, z2, h, w, Cd, …
…
l, VMC, z1, q, …
...
Zones
Openings
Walls
}
Harry BOYER – Resp. Equipe Génie Civil Thermique Habitat
La modélisation multimodèle
CODYRUN
• logements types
• modélisation détaillée
• Pas de temps horairre
• Pas de temps minute
• Prescriptions d’aide à la conception
Puissance frigorifique totale (kW)
0
-0.1
-0.2
Modèle 0
Modèle 1
Modèle 2
Mesure
-0.3
-0.4
-0.5
1
Harry BOYER – Resp. Equipe Génie Civil Thermique Habitat
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
Temps (Heure)
Présentation du logiciel de simulation thermique
• Outil multizone
•
Zone 1
Zone 2
Zone 3
Zone 4
• Outil multimodèle
–
–
–
–
–
–
–
Transferts aérauliques
Température du ciel
Convection extérieure
Rayonnement diffus
Convection intérieure
Echanges GLO intérieurs
Conduction
Transferts aérauliques
Le modèle global du bâtiment
Harry BOYER – Resp. Equipe Génie Civil Thermique Habitat
Bibliothèque de modèles
Description du bâtiment : les concepts
• Orientation recherche et conception
• Description hiérarchique
bâtiment
zones
composants
interambiances
composants
Zone 1
Zone 2
Zone 3
Zone 4
Sollicitations
météorologiques
Nord
Harry BOYER – Resp. Equipe Génie Civil Thermique Habitat
Températures
Puissances
Humidités
Débits aérauliques
Energies
t
Les atouts logiciels de CODYRUN
• interface conviviale et environnement PC
• choix du fichier météo
• simulation en thermique ou en
Météo
thermo-aéraulique
• choix des modèles physiques
adéquats
• gestion de bibliothèques
• possibilité d’intégrer de façon
CODYRUN
• une aide est disponible
Dry air temperature (°C)
CODYRUN
détaillée des masques proches
Calcul
measures
37
36
35
34
33
32
1
48 95 142 189 236 283 330 377 424
Time step (30 mn)
• possibilité d’intégrer des systèmes de
traitement d’air
Harry BOYER – Resp. Equipe Génie Civil Thermique Habitat
L’évolution de CODYRUN …
• Environnement TRNSYS
utilisé par + de 200 laboratoires (développement partagé)
- concept modulaire d’assemblage de blocs avec solveur intégré
- UNE seule possibilité de bâtiment multizone SANS AERAULIQUE
Harry BOYER – Resp. Equipe Génie Civil Thermique Habitat
Plan de la présentation du label
II) Elaboration d ’un label de
conception thermique des bâtiments
dans les départements d ’Outre-Mer
La MDE dans les DOM
• L ’opération expérimentale ECODOM
• Méthodologie
• Résultats
•Suivi expérimental
Harry BOYER – Resp. Equipe Génie Civil Thermique Habitat
La MDE dans les DOM
Harry BOYER – Resp. Equipe Génie Civil Thermique Habitat
Méthodologie-Historique
1994
Mise en place d ’un groupe de travail local et national
Université, EDF, DDE, ADEME,
Promotelec, Ministères, CSTB
Architectes, BET
Maîtres d ’Ouvrage sociaux et privés
Economistes de la construction
Identification des différents contextes :
Energétiques
Climatiques
Sociologiques
Positionnement / réglementation métropole
1995
200 logements labelisés
3 opérations expérimentales ECODOM
Suivi sociologique et expérimental
Intervention amont
Identification des logements type
Identification des journées type
Identification des critères de comparaison
et d ’analyse (énergétique, confort)
Simulations sur les logements type retenus
Procédure de simulation avec CODYRUN
Expertise des réponses thermo-aérauliques
Analyse des résultats de simulation
Choix de solutions techniques performantes
1996
Harry BOYER – Resp. Equipe Génie Civil Thermique Habitat
1997
1999
Mise en place d ’un document de référence
Faisabilité technico-économique
Recherche d ’opérations labélisables
Formation, communication, sensibilisation
Les objectifs d ’ECODOM
•
•
•
•
Amélioration du confort thermique dans les logements neufs
Economies d ’énergie
Rapprochement entre les acteurs de la profession
Edition d’ un document de travail simple, pédagogique et
compréhensible par tous
Harry BOYER – Resp. Equipe Génie Civil Thermique Habitat
Le label ECODOM
• Label sur les logements neufs : amélioration du
niveau de confort
• Prescriptions sur cinq points du logement
•Implantation sur le site
•Protection solaire de l ’enveloppe
(toiture, parois opaques, ouvertures)
•Ventilation naturelle
•Production d ’ECS
•Chambre climatisée
Harry BOYER – Resp. Equipe Génie Civil Thermique Habitat
Récapitulatif des simulations effectuées
Logement collectif
Logement lourd
Logement léger
Protection solaire de la toiture
Etude en Etude en
Couleur Isolant température puissance
foncée
0 cm
x
x
alpha = 0.7 5 cm
x
x
10 cm
x
x
claire
0 cm
x
x
alpha = 0.4 5 cm
x
x
10 cm
x
x
Protection solaire des vitrages
Dimensions
Etude en
du débord
température
Pas de débord
x
d/(2a+h) = 0.25
x
d/(2a+h) = 0.5
x
d/(2a+h) = 0.75
x
d/(2a+h) = 1.75
x
Lames mobiles opaques x
Protection solaire des parois
Traitement Couleur Etude en Etude en
Isolation
température puissance
Etude en
puissance
x
x
x
x
x
x
Ventilation naturelle
Perméabilité
extérieure
intérieure
Etude en
température
0 cm
a = 0.4
2 cm
4 cm
et 0.7
Protection par débord
x
x
x
x
x
x
15%
15%
15%
25%
15%
25%
40%
15%
x
x
x
x
d/h = 0.25
d/h = 0.50
d/h = 0.75
d/h = 1
x
x
x
x
x
x
x
x
25%
25%
40%
40%
40%
25%
40%
15%
25%
40%
x
x
x
x
x
a = 0.4
et 0.7
Cas réel
Option chambre climatisée
Comparaison Logement Base / Logement ECODOM
Harry BOYER – Resp. Equipe Génie Civil Thermique Habitat
Logements type
Individuel : Maison F4/5
Collectif : T3/4
Protection solaire
•Protection solaire de la toiture
TOITURES SIMPLES ISOLEES
Isolant type polystyrène
Isolant type polyuréthane
l = 0.041 W.m -1 .K-1
l = 0.029 W.m -1 .K-1
Couleur toiture
5 cm
4 cm
claire ( a = 0.4)
8 cm
6 cm
moyenne ( a =0.6)
a
10
cm
8 cm
foncée ( = 0.8)
TOITURES AVEC COMBLES FORTEMENT VENTILES
Isolant type polystyrène
Isolant type polyuréthane
l = 0.041 W.m -1 .K-1
l = 0.029 W.m -1 .K-1
Couleur toiture
pas d’isolation nécessaire
claire ( a = 0.4)
2 cm
0 cm
moyenne ( a =0.6)
a
•Protection solaire des ouvertures
Localisation
Ile de la Réunion
Orientation des fenêtres
Est
Sud Ouest Nord
0.8
0.3
1
0.6
Valeurs de d/(2a+h) cas1, ou d/h cas2
Harry BOYER – Resp. Equipe Génie Civil Thermique Habitat
d
d
h
h
Cas 1
Cas 2
Résultats - Protection solaire des parois opaques
Harry BOYER – Resp. Equipe Génie Civil Thermique Habitat
Résultats - ventilation naturelle
Harry BOYER – Resp. Equipe Génie Civil Thermique Habitat
ECODOM : les suites
• 500 logements labellisés à ce jour
• Retour d’expérience
=> Evolution des prescriptions
• Evolution vers un label à points
Harry BOYER – Resp. Equipe Génie Civil Thermique Habitat
Définition des zones du bâtiment
III) Application au cas d’étude
Harry BOYER – Resp. Equipe Génie Civil Thermique Habitat
Définitions des Interambiances du bâtiment
(11 Interambiances)
Harry BOYER – Resp. Equipe Génie Civil Thermique Habitat
Définition des composants du bâtiment
50 composants
Harry BOYER – Resp. Equipe Génie Civil Thermique Habitat
• Parois
• Vitrages
• Ouvertures
• Eclairage
• Occupants
Un exemple de composant : une paroi
Harry BOYER – Resp. Equipe Génie Civil Thermique Habitat
Un exemple de composant : un vitrage
Harry BOYER – Resp. Equipe Génie Civil Thermique Habitat
L’interface et la saisie dans CODYRUN
• La saisie se fait au
moyen de fenêtres
• Les divers boutons
permettent de
descendre dans
l’arborescence du
logiciel
bâtiment
Zone 1
Zone 2
interambiance1
interambiance2
interambiance3
Paroi 1
Paroi 2
Composant 1
Composant 2
Composant 3
vitrage
Harry BOYER – Resp. Equipe Génie Civil Thermique Habitat
Étude des logements par simulation numérique
•
•
•
•
•
•
•
Choix de la séquence météorologique
Répartition du rayonnement
Efficacité des masques
Comparatif traditionnel/SCPR
Ventilation naturelle cas SCPR
Approche confort
Ventilation des hourdis
Harry BOYER – Resp. Equipe Génie Civil Thermique Habitat
Choix de la séquence météorologique
1200
Ray. Sol. Direct
Ray. Sol. Dif..
1000
W\m²
800
600
400
200
0
1
2
3
4
5
6
7
Jour julien
8
9
Tair Ext.
Hum.Rel.Ext.
35
90
80
33
70
60
50
29
40
27
30
20
25
10
23
0
1
2
3
4
5
6
7
Jour julien
Harry BOYER – Resp. Equipe Génie Civil Thermique Habitat
8
9
10
Hr (%)
°C
31
10
Rayonnement incident sur Dalle terrasse
• Zone étage : Répartition du rayonnement
incident (Wh), Est Ouest
Distribution du rayonnement direct
sur les différentes parois
7%
4%
0%
11%
paroi étage est
paroi étage ouest
paroi étage nord
paroi étage sud
toiture
78%
(surfaces et la course du soleil)
En raison de la porosité importante du logement,
la toiture est le siège de ¾ des apports
Harry BOYER – Resp. Equipe Génie Civil Thermique Habitat
radiatifs à l’étage
Répartition du rayonnement sur les parois vert. / effet des masques
• Une première indication des sollicitations solaires …
• … mettant en évidence le rôle protecteur des espaces
extérieurs
Harry BOYER – Resp. Equipe Génie Civil Thermique Habitat
Efficacité des masques sur la façade EST
Facteur solaire de la vitre chambre1
100
80
60
40
20
0
%
%
Facteur solaire de la vitre living
4
5
6
7
8
9
Heures
Harry BOYER – Resp. Equipe Génie Civil Thermique Habitat
10
11
100
80
60
40
20
0
4
5
6
7
8
Heures
9
10
11
Effet de l’orientation du bâtiment
Rayonnement direct incident zone
Etage : Comparaison NS/EO
2500
2000
1500
W
1000
500
0
0
2
4
6
8
10
12
Nord/Sud
14
16
18
Est/Ouest
20
Transmission /
vitrages
22
Heures
Températures à l'étage
35
34
T(°C)
33
32
31
30
29
28
0 1
2 3 4 5
Nord/Sud
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Est/Ouest
Heures
Absorption /
Parois
• Pas de direction privilégiée par rapport à la
réponse thermique (pour des couleurs claires)
Harry BOYER – Resp. Equipe Génie Civil Thermique Habitat
Présentation de la constitution des logements
Traditionnel & SCPR
Dalle béton
Dalle poutrelles & hourdis
Différence majeure : Résistance thermique de l’enveloppe
Harry BOYER – Resp. Equipe Génie Civil Thermique Habitat
Comparaison bâtiments fermés SCPR/ Traditionnel
Jour 8
• Rôle alternatif de la résistance de l’enveloppe du bâtiment
la journée : limitation des apports par conduction (abs. ray solaire,conduction)
la nuit : limitation des déperditions (Tint élevées, Text plus basse)
Attention BTM fermés, absorptivité dalle faible (0.4, couleur claire)
SCPR => Tendance à lisser les températures de l’Etage
Harry BOYER – Resp. Equipe Génie Civil Thermique Habitat
Bâtiment traditionnel : Etage
35
Bâtiment SCPR : Etage
34
33
Bâtiment traditionnel : RDC
35
32
31
30
29
3
4
5
6
7
8
9
10
Jour Julien
• Sur ces cas, le rajout de
l’isolation tend à dégrader
les conditions intérieures
Température d'air intérieur (°C)
Température d'air intérieur (°C)
Effet de l’isolation de la toiture (0.4)
Bâtiment SCPR : RDC
34
33
32
31
30
29
3
4
5
6
7
8
9
10
Jour Julien
• En terme de bilan d’énergie, solde moins avantageux
pour le cas SCPR
Harry BOYER – Resp. Equipe Génie Civil Thermique Habitat
Effet de la couleur de la Dalle
Trés 2 ETAGE, hourdis non ventilés, RDC et ETAGE fermés, Dalle sombre
Trés 2 (Etage ), Dalle claire
Trés 2 (Etage ), Dalle sombre + 10 cm Isolant
Tair ext
Harry BOYER – Resp. Equipe Génie Civil Thermique Habitat
476
451
426
401
376
351
326
301
276
251
226
201
176
151
126
101
76
51
26
1
39
37
35
33
31
29
27
25
23
Comparaison bâtiment SCPR ouvert et fermé au Rez-de-chaussée
SCPR fermé
SCPR ouvert
4 °C d’écart entre le cas ventilé et celui non ventilé
Harry BOYER – Resp. Equipe Génie Civil Thermique Habitat
Ventilation naturelle : les débits échangés
Debit vitr. oues : SCPR
1200
Deb vitr. ouest : Traditionnel
1000
800
m3/h
600
400
200
0
-200
-400
4
5
6
7
8
9
10
Jour julien
• Quelle que soit la constitution, la porosité (24 et 28 %)
assure des débits importants
Harry BOYER – Resp. Equipe Génie Civil Thermique Habitat
Approche confort SCPR/Traditionnel
Exploitation du diagramme de Givoni
Evaluation du confort thermique à l'intérieur du batiment (rez de chaussée)
0.025
100%
70%
50%
as
Kg(H2O)/Kg
Rapport de mélange x
0.02
0.015
0.01
Zone de confort
Zone de confort
avec ventilation naturelle
20%
0.005
0
15
20
25
30
Temperature
(°C)
Température (°C)
35
40
Dans le cas ouvert, pas de possibilité d’appréciation du gain
en confort
Harry BOYER – Resp. Equipe Génie Civil Thermique Habitat
Approche par l’indice PMV*
- La température d’air
- La température radiante moyenne
- La vitesse d’air
- L'humidité relative
- L’activité
- La vêture
Etage
L'indice PMV* : 9 niveaux
PMV*19ET
SCPR
Trad
PMV*15ET
1
0.5
-0.5
-1
Indice PMV * pour l’étage, cas 1m/s
Harry BOYER – Resp. Equipe Génie Civil Thermique Habitat
477
460
443
426
409
392
375
358
341
324
307
290
273
256
239
222
205
188
171
154
137
120
103
86
69
52
35
1
0
18
Très froid
Froid
Légèrement froid
Ni froid, Ni chaud
Tiède léger acceptable
Tiède léger désagréable
Chaud tolérable
Très chaud
Intolérable
PMV*
(-3)
(-2)
(-1)
(0)
(1)
(2)
(3)
(5)
(6)
Etude de la ventilation naturelle des hourdis
Extérieur
Zone VIDE
d’AIR
Inter-ambiance avec du béton lourd
Zone ETAGE
Zone RDC
Modification du zonage, ajout de composants, …
Harry BOYER – Resp. Equipe Génie Civil Thermique Habitat
Ventilation des hourdis : résultats en température
Diminution de 2°C
si dalle de couleur
sombre
Harry BOYER – Resp. Equipe Génie Civil Thermique Habitat
Application du label sur le cas TEELOCK (1)
Isolation toiture :
10 cm polystyrène
Protection Baies :
Augmenter de 20
cm le débord
façade Est
Harry BOYER – Resp. Equipe Génie Civil Thermique Habitat
Protection Baies :
Augmenter de 50
cm le débord
façade Ouest
Application du label sur le cas TEELOCK (2)
Isolation murs façade Sud
Attentes Brasseur
d’air dans pièces de
vie
1 cm polystyrène
Agencement intérieur :
Augmenter porosité de 0.75
m²
Prévoir des blocs porte
Harry BOYER – Resp. Equipe Génie Civil Thermique Habitat
Synthèse ECODOM
Harry BOYER – Resp. Equipe Génie Civil Thermique Habitat
Conclusion
• Le cas TEELOCK Associates ?
Conception thermique initiale bien pensée,
améliorable sensiblement au moyen des
matériaux SCPR et encore perfectible
(ECODOM)
Sous nos climats, la modélisation thermique
en régime dynamique est nécessaire pour
comprendre finement le fonctionnement
thermique d’une enveloppe
Harry BOYER – Resp. Equipe Génie Civil Thermique Habitat

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