Modélisation dynamique tridimensionnelle avec tache solaire pour la simulation du comportement thermique d'un bâtiment basse consommation PDF Download
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Book Description
Cette thèse s'inscrit dans le contexte du développement de Bâtiments Basse Consommation. La conception de telles constructions les rend sensibles aux sollicitations internes. Aussi, les outils de thermique du bâtiment existants ne sont pas adaptés pour simuler assez fidèlement ce type de bâtiments, si bien qu'un modèle tridimensionnel et dynamique a été développé ici. Celui-ci présente plusieurs particularités : il s'appuie sur une discrétisation spatiale optimisée des parois, la tache solaire y est localisée et l'intégration des dynamiques des conditions environnementales est assurée par un solveur numérique à pas de temps adaptatif et un seul nœud d'air est considéré. La validation du modèle s'est suivant une confrontation avec des mesures en conditions réelles réalisées dans une cellule de BESTlab d'EDF R&D. Un suivi visuel de la tache solaire a permis de confirmer sa bonne localisation par notre modèle. Des mesures de température en surface complétées par des cartographies thermographiques ont été comparées aux champs de températures simulés, montrant une bonne concordance. Les comparaisons de températures d'air mesurées et simulées ont montré des résidus ne dépassant pas 1,5 ̊C, pour des erreurs moyennes de 0,5 ̊C. La pertinence des deux principales innovations du modèle a été ensuite démontrée : l'utilisation d'entrées échantillonnées à la minute associées à un solveur à pas de temps adaptatif permet de minimiser les erreurs de simulation : en mi-saison, les résidus maximaux sont respectivement de 1 ̊C et 2 ̊C pour des entrées à la minute et à l'heure. En hiver, les températures d'air simulées tendent à plus osciller autour de la consigne quand le pas d'échantillonnage des entrées s'allonge. Deux modèles unidimensionnels, représentatifs de modèles courants, M1D,sol diluant le rayonnement solaire sur le sol seul et M1D,parois le distribuant de façon homogène sur les parois au prorata de la taille de la tache solaire censée les frappées, ne dégradent que légèrement la précision des calculs de température d'air. Cependant, ces modèles 1D ne permettent pas de calcul des champs de températures sur les parois si bien qu'ils présentent des erreurs locales dépassant 20 ̊C aux endroits touchés par la tache solaire. Enfin en hiver, le modèle 3D permet de prédire des consommations de chauffage surestimées de 6,5 % quand M 1D,parois les surestime de 11 % et M1D,sol de 22 %. Les améliorations apportées par notre modèle ont été confirmées pour d'autres types de cellules. D'ailleurs des écarts plus importants entre M1D,sol et le modèle 3D ont été observés pour une cellule dont parois et sol ont des compositions très différentes, alors que l'orientation a aussi un impact. Ce travail confirme la nécessité de représenter plus finement les phénomènes physiques pour des locaux fortement isolés. Des améliorations sont à intégrer, comme la description de l'anisothermie de l'air.
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Cette thèse s'inscrit dans le contexte du développement de Bâtiments Basse Consommation. La conception de telles constructions les rend sensibles aux sollicitations internes. Aussi, les outils de thermique du bâtiment existants ne sont pas adaptés pour simuler assez fidèlement ce type de bâtiments, si bien qu'un modèle tridimensionnel et dynamique a été développé ici. Celui-ci présente plusieurs particularités : il s'appuie sur une discrétisation spatiale optimisée des parois, la tache solaire y est localisée et l'intégration des dynamiques des conditions environnementales est assurée par un solveur numérique à pas de temps adaptatif et un seul nœud d'air est considéré. La validation du modèle s'est suivant une confrontation avec des mesures en conditions réelles réalisées dans une cellule de BESTlab d'EDF R&D. Un suivi visuel de la tache solaire a permis de confirmer sa bonne localisation par notre modèle. Des mesures de température en surface complétées par des cartographies thermographiques ont été comparées aux champs de températures simulés, montrant une bonne concordance. Les comparaisons de températures d'air mesurées et simulées ont montré des résidus ne dépassant pas 1,5 ̊C, pour des erreurs moyennes de 0,5 ̊C. La pertinence des deux principales innovations du modèle a été ensuite démontrée : l'utilisation d'entrées échantillonnées à la minute associées à un solveur à pas de temps adaptatif permet de minimiser les erreurs de simulation : en mi-saison, les résidus maximaux sont respectivement de 1 ̊C et 2 ̊C pour des entrées à la minute et à l'heure. En hiver, les températures d'air simulées tendent à plus osciller autour de la consigne quand le pas d'échantillonnage des entrées s'allonge. Deux modèles unidimensionnels, représentatifs de modèles courants, M1D,sol diluant le rayonnement solaire sur le sol seul et M1D,parois le distribuant de façon homogène sur les parois au prorata de la taille de la tache solaire censée les frappées, ne dégradent que légèrement la précision des calculs de température d'air. Cependant, ces modèles 1D ne permettent pas de calcul des champs de températures sur les parois si bien qu'ils présentent des erreurs locales dépassant 20 ̊C aux endroits touchés par la tache solaire. Enfin en hiver, le modèle 3D permet de prédire des consommations de chauffage surestimées de 6,5 % quand M 1D,parois les surestime de 11 % et M1D,sol de 22 %. Les améliorations apportées par notre modèle ont été confirmées pour d'autres types de cellules. D'ailleurs des écarts plus importants entre M1D,sol et le modèle 3D ont été observés pour une cellule dont parois et sol ont des compositions très différentes, alors que l'orientation a aussi un impact. Ce travail confirme la nécessité de représenter plus finement les phénomènes physiques pour des locaux fortement isolés. Des améliorations sont à intégrer, comme la description de l'anisothermie de l'air.
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Avec le changement climatique en cours et l'augmentation de la fréquence et de l'intensité des vagues de chaleur comme typiquement en France, l'enjeu du confort thermique d'été devient central pour la conception et la rénovation des bâtiments, notamment en ville. L'étude du confort thermique dans des environnements thermiques intérieurs complexes, mettant en jeu des phénomènes radiatifs et convectifs dynamiques et locaux, nécessite de disposer d'outils de simulation thermique du bâtiment capables de prendre en compte cette complexité physique et de produire des données fiables et adaptées. Ainsi, afin de pouvoir étudier de façon détaillée les différents phénomènes en jeu, ce travail de thèse propose le développement et la validation d'une modélisation thermo-aéro-radiative de pièce basée sur la BES (Building Energy Simulation) dynamique et tridimensionnelle, la CFD (Computational Fluid Dynamics) par la méthode de Boltzmann sur réseau (LBM) avec la simulation des grandes échelles (LES), et finalement le couplage de ces deux approches. Dans un premier temps, le modèle de BES développé, capable notamment de localiser la tâche solaire sur les surfaces intérieures et de prendre en compte les multi-réflexions radiatives, a été validé suivant une confrontation avec des mesures en conditions réelles réalisées dans une pièce dans laquelle évolue une tâche solaire (configuration solaire passive BESTLab d'EDF Re&D). Les résultats montrent des résidus inférieurs à 4°C et des erreurs moyennes autour de 0,6°C sur les températures de surface intérieures. L'application du modèle de BES à l'étude d'un matériau à changement de phase dans cette même pièce a notamment permis de montrer que le stockage d'énergie latente s'effectue principalement dans les parties de mur ensoleillées (tâche solaire), ce que ne peuvent pas prédire les codes de calcul couramment utilisés. Dans un second temps, la modélisation LBM-LES adoptée a été confrontée à un vaste ensemble de données expérimentales portant sur une pièce d'essai à échelle 1 (MINIBAT) équipée d'une ventilation mécanique, mettant en jeu des jets turbulents (Re∼10^4), axisymétriques et anisothermes se développant près du plafond. Une attention particulière a été portée au traitement dynamique et thermique proche paroi afin d'adapter les modèles aux écoulements dans les bâtiments. Les résultats montrent un bon accord entre les profils moyens de vitesse et de température avec des positions et des valeurs de maximums en cohérence avec les mesures ainsi qu'une anisotropie de la turbulence correctement retrouvée par la simulation. Enfin, le couplage BES-CFD a été mis en place et confronté aux données expérimentales d'une pièce équipée d'un radiateur en régime permanent. L'analyse porte sur le transfert de chaleur aux parois ainsi que le comportement du radiateur et les caractéristiques du panache thermique. Les résultats obtenus montrent que le couplage employé conduit à des résultats fiables.
Author: Pierre Tittelein Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 186
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En France, à partir de 2012, tous les bâtiments neufs devront répondre aux critères de basse consommation, c'est-à-dire qu'ils devront consommer moins de 50 kW.h/(m2.an) en énergie primaire pour le chauffage, le refroidissement, la ventilation, la production d'eau chaude sanitaire et l'éclairage (à moduler selon la région et l'altitude). La simulation numérique a un rôle important à jouer pour atteindre cet objectif. Les environnements de simulation énergétique existants ont été conçus pour des bâtiments classiques pour lesquels les consommations sont beaucoup plus importantes que celles fixées pour 2012, il faut donc voir si les modèles mais aussi les méthodes de simulations utilisés correspondent toujours aux spécificités de ces nouveaux bâtiments. L'objectif de ce travail est de montrer l'intérêt d'utiliser un environnement de simulation basé sur les systèmes d'équations pour étudier le comportement énergétique des bâtiments basse consommation. Pour cela, plusieurs modèles ont été implémentés dans l'environnement SIMSPARK. Il s'agit d'un modèle de matériau à changement de phase, d'un modèle de prise en compte du rayonnement de courtes longueurs d'onde par calcul de la tache solaire et d'un modèle d'échangeur air-sol. Ils ont été intégrés dans un modèle global de bâtiment basse consommation ce qui a permis de montrer les avantages de l'environnement de simulation utilisé. Le fait qu'il soit orienté objet permet de valider indépendamment les nouveaux modèles puis de les intégrer facilement à un modèle de niveau hiérarchique supérieur. Le fait qu'il soit basé sur les systèmes d'équations a permis grâce à la non orientation a priori du modèle d'inverser le sens de résolution de plusieurs problèmes dans une simulation dynamique. Enfin, la robustesse des méthodes de résolution utilisées a été éprouvée.
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MODELISATION DE SYSTEMES THERMIQUES PAR DECOUPAGE SELON DEUX ECHELLES DE TEMPS, EN SOUS-STRUCTURES A DYNAMIQUE RAPIDE (PEAUX DES PARAOIS ET AMBIANCES INTERIEURES) ET DYNAMIQUE LENTE (MASSE DES PAROIS); CE TYPE DE MODELISATION PERMET UNE SIMULATION NUMERIQUE PLUS ECONOME EN TEMPS DE CALCUL
Author: Patrick Glouannec Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 167
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Etude théorique et expérimentale d'un plancher chauffant à eau sur terre-plein, en vraie grandeur, et de l'enveloppe du bâtiment associé, soumise à des conditions climatiques réelles, incluant les apports solaires. Modèle optimisé du comportement thermique d'une paroi homogène en régime transitoire, avec deux algorithmes pour la simulation de systèmes thermiques linéaires (calcul du produit de convolution et de la réponse impulsive du système connue par l'intermédiaire de sa fonction de transfert)
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Cette thèse porte sur le développement d'une approche pratique de modélisation/simulation des systèmes solaires combinés Photovoltaïques/Thermiques PV/T. Il s'agit d'une approche basée sur un modèle d'ordre réduit en représentation d'état (ORRE). En effet, les systèmes solaires thermiques, électriques et combinés intégrés aux bâtiments possèdent des spécificités permettant de s'affranchir des méthodes numériques classiques (mécanique des fluides numérique et thermique numérique). Ces méthodes sont réputées dans le domaine de l'aérodynamique, de l'aéraulique...etc. Par contre, dans le domaine du mix-énergétique tels que celui considéré dans ce mémoire, l'application directe de ce modèle peut conduire à des dépassements des capacités mémoire ou des temps de calcul exorbitants. Une alternative est de développer des méthodes adaptées au problème physique considéré, en traitant l'aspect multi-physique toute en restant dans une taille de données raisonnable et du temps de calcul réduit. La méthodologie de modélisation consiste à réduire les dimensions des équations qui régissent le problème. En se basant sur la symétrie du système, puis en découpant le système en zones de contrôle basées sur une valeur moyenne gouvernée par les nombres adimensionnels de Biot (Bi) et de Fourier (Fo). Les résultats obtenus en fonctionnement dynamique pourront nous fournir des paramètres de sorties, plus particulièrement, les rendements électrique, thermique et la puissance de circulation du fluide caloporteur. L'avantage de l'approche proposée réside dans la simplification du modèle résultant, qui est représenté par un seul système d'équations algébriques en représentation d'état regroupant tous les éléments physiques du système en fonctionnement dynamique (conditions aux limites variables dans le temps). Ce modèle regroupe la variable fondamentale qui est la température, et les deux types de contrôle et de conception. De plus, le modèle d'ORRE est intégrable dans le fonctionnement en temps réel des systèmes PV/T intégrés aux bâtiments (PV/T-Bât) afin d'accompagner leurs régulation et gestion des flux mise en jeu. Le modèle ainsi proposé a fait l'objet d'une validation où les résultats numériques ont été comparés aux résultats expérimentaux. En effet, quatre configurations ont été étudiées et évoquées dans une approche linéaire. Les résultats obtenus montrent une cohérence tolérable entre les résultats expérimentaux, et numériques. Cette cohérence a été évaluée en termes d'incertitude entre les résultats du modèle et le cas étudié expérimentalement. Le cas d'un système non-linéaire a été également abordé. En effet, rares sont les travaux qui ont été publiés mettant en valeur les phénomènes non-linéaires dans les systèmes complexes PV/T-Bât, Ainsi, on a développé avec la même stratégie, des modèles bilinéaires qui modélise le mieux possible le comportement thermique dans les systèmes PV/T-Bât. Une étude d'optimisation du système multi-physique en introduisant une étude paramétrique est menée en terme afin d'étudier la sensibilité des paramètres sur le rendement énergétique. Cependant, les études d'optimisation paramétriques restent limitées et insuffisantes à cause de la résolution mono-objectif du problème d'optimisation, alors que notre système manifeste un comportement combiné et multi-physique de nature contradictoire. Pour ce faire, une optimisation multi-objectifs est introduite avec trois fonctions objectif en employant l'algorithme génétique NSGA-II. L'originalité de notre méthode est d'employer l'algorithme en régime dynamique afin de choisir la conception du système la plus optimale. Les résultats trouvés peuvent contribuer à améliorer la conception des systèmes PV/T-Bât et l'optimisation de leur fonctionnement.
Author: Leila Gharbi (Auteur d'une thèse en Génie Civil (2005)).) Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 226
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L'évaluation de la qualité des ambiances à l'intérieur des bâtiments dans le contexte méditerranéen, nécessite la connaissance précise des vitesses et des températures de l'air à l'intérieur du local considéré. Les aspects thermiques et aéraulique doivent également être pris en compte de manière couplée, en raison de leur très forte interdépendance. Dans ce contexte, nous avons développé un code de calcul tridimensionnel, modulaire, des échanges thermo-aérauliques couplés en régime dynamique. Le modèle aéraulique est fondé sur une modélisation zonale en température et pression. Cette approche est un compromis entre les modèles de type CFD très détaillés et les codes en pression simplifiés. Le modèle d'enveloppe repose sur le couplage de modèles modaux réduits pour le calcul des flux conductifs. Cette méthode permet de décrire de manière précise le comportement dynamique d'un bâtiment à l'aide d'un système d'ordre peu élevé et de modéliser finement les transferts de chaleur à travers des parois de géométrie complexe. Ces deux modèles ont été validés par comparaison avec des résultats numériques et expérimentaux. Leur couplage a été mis en œuvre par une stratégie de connexion itérative. Les résultats de simulation ont montré que le code thermo-aéraulique couplé décrit de manière satisfaisante le champ des températures et les mouvements d'air dans une pièce d'habitation. Son couplage avec un modèle de confort a permis d'évaluer l'influence de la ventilation nocturne sur la qualité thermique d'un local soumis à des conditions météorologiques caractéristiques de la saison chaude tunisienne.
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L'objectif de cette thèse est d'étudier un système énergétique intégré dans l'enveloppe des bâtiments permettant de préchauffer l'air neuf.L'originalité du travail repose sur le fait que ce mur est équipé de matériau à changement de phase (MCP).Celui-ci a pour rôle de stocker l'énergie solaire captée en façade puis de la déstocker en préchauffant l'air neuf de ventilation. Notre étude est constituée de deux grandes phases, une phase expérimentale et une phase numérique.La phase expérimentale consiste à effectuer des essais en laboratoire, afin de connaître le comportement du système étudié sous sollicitations thermiques. Ces essais ont été réalisés grâce à un prototype du mur, instrumenté et installé entre deux cellules avec des conditions climatiques contrôlées.Le but de la phase numérique est de mettre en place un modèle ID permettant de simuler le comportement thermique du mur et en particulier celui du MCP. Ce modèle a été validé en comparant les résultats numériques avec ceux obtenus expérimentalement.Pour modéliser le changement de phase nous avons utilisé les paramètres thermophysiques du matériau obtenu par caractérisation expérimentale réalisée dans notre laboratoire. Nous avons ensuite utilisé la méthode de la capacité variable pour simuler le comportement de la paroi stockeuse du mur. Dans la dernière partie du travail numérique le modèle a été utilisé afin de montrer l'influence de quelques paramètres permettant d'optimiser les gains énergétiques.La simulation dynamique du système a été effectuée grâce au logiciel TRNsys, qui nous a permis d'effectuer des bilans énergétiques et d'estimer l'efficacité du système pour des climats variés.
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L'ETUDE CONSISTE A DECRIRE LES PHENOMENES THERMIQUES ET AERAULIQUES DANS LE BATIMENT A L'AIDE D'UN OUTIL SIMPLIFIE: LA METHODE ZONALE. IL S'AGIT D'UNE METHODE SIMPLIFIEE TRIDIMENSIONNELLE BASEE SUR LE PARTITIONNEMENT EN UN PETIT NOMBRE DE SOUS-VOLUME, INTERMEDIAIRE ENTRE LES MODELES A UN NUD ET LES MAILLAGES FINS. ON ECRIT DES BILANS DE MASSE ET D'ENERGIE DANS CHAQUE SOUS-VOLUME TANDIS QUE LES ECHANGES DANS LES INTERFACES SONT DETERMINES PAR DES LOIS RELIANT LES DEBITS AUX DIFFERENCES DE PRESSION. L'ASPECT MODULAIRE DE LA METHODE FACILITE SON IMPLEMENTATION DANS UN ENVIRONNEMENT ORIENTE OBJET ET LE LOGICIEL SPARK, ADAPTE A LA RESOLUTION DE GROS SYSTEMES D'EQUATIONS NON-LINEAIRES EST UTILISE A CET EFFET. LES RESULTATS SONT VALIDES PAR RAPPORT A DIFFERENTES REFERENCES EXPERIMENTALES ET NUMERIQUES. UN AUTRE ATOUT D'UN ENVIRONNEMENT OBJET RESIDE DANS LES POSSIBILITES DE COUPLAGE ET ON TRAITERA SUCCESSIVEMENT L'EXEMPLE DU CONFORT, UN MODELE D'ENVELOPPE ET LES TRANSFERTS DE MASSE
Author: Auline Rodler
Author: Auline Rodler
Author: Teddy Gresse
Author: Pierre Tittelein
Author: Lefebvre
Author: ALAIN.. ESCUDERO
Author: Patrick Glouannec
Author: Lahoucine Ouhsaine
Author: Leila Gharbi (Auteur d'une thèse en Génie Civil (2005)).)
Author: Cheikh Seck
Author: Etienne Wurtz