La simulation thermique dynamique (STD) pour la conception de projet : Quel intérêt? Quelles opportunités? Quels développements? Quelles limites?

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1 La simulation thermique dynamique (STD) pour la conception de projet : Quel intérêt? Quelles opportunités? Quels développements? Quelles limites? Le 06/12/12 Laurent Mora IUT Génie Civil / I2M Romain Périe NOBATEK 1

2 Plan de l intervention Introduction (L. Mora) Pourquoi la simulation? A quelle échelle? Quelles sont les étapes clés pour la mise en place d une simulation? Des études de cas avec un focus sur des thèmes importants (R. Périe) La ventilation naturelle Protections solaires et menuiseries Les bâtiments à forte inertie Synthèse et conclusion (L. Mora) Intérêts et limites de la STD? Quels développements en cours? 2

3 Contexte Les enjeux : Des bâtiments neufs très performants Une rénovation réussie de l existant Quels outils pour y répondre? Démarches (HQE ), labels (ex. effinergie), etc. Un outil réglementaire (RT2012) Une méthodologie de conception intégrée Rôle décisif des outils de simulation dynamique 3

4 Pourquoi la simulation? Approcher au plus prêt le comportement du système (dynamique vs statique), coller au mieux aux usages : le bâtiment virtuel Tester des solutions : choix architecturaux, conception de l enveloppe, systèmes énergétiques à tous les stades de l étude Alimenter le processus de conception : itérer pour améliorer (converger) Aider à prendre des décisions, convaincre Tout en s appuyant sur le retour d expérience (plus coûteux) 4

5 Quels indicateurs de performance? Diversité des exigences pour le concepteur : Besoins de chauffage (enveloppe seule) Confort d été (ex. T max, durée où T>Tconf, etc.) Consommation (intégrer les équipements) Intégration des énergies renouvelables Ventilation et qualité de l air (ventilation naturelle) L ensoleillement (Environnement du bâtiment) Aux divers stades d avancement du projet 5

6 Quelle échelles d espace et de temps? Problèmes : Complexité géométrique du bâtiment et de son usage Dynamique du comportement / Analyse sur une année (ou saisons) Approche : Découper le bâtiment en zones thermiques homogènes Différentes échelles possibles 6

7 Approche monozone la plus simple caractéristiques générales du bâtiment : enveloppe système de ventilation et de chauffage/climatisation inertie sorties : température, puissance nécessaire et confort à la zone (pas de détails) pas de prise en compte de l hétérogénéité des températures entre les zones du bâtiment 7

8 Approche multizone une zone = une pièce + prise en compte des connections caractéristiques zonales du bâtiment : murs ext. et int. système de ventilation et de chauffage/climatisation inertie sorties : température, puissance nécessaire et confort par zone pas de prise en compte de l hétérogénéité des températures au sein des zones du bâtiment 8

9 Codes de champs (Cécile Dobrzynsk, MAB Bordeaux1) Une zone = une toute petite partie d une pièce (cm 3 ) Résolution des équations de Navier- Stokes. Caractéristiques très précise du bâtiment : murs ext. et int. système de ventilation et de chauffage/climatisation avec localisation sorties : température, vitesse d écoulement, flux de chaleur... par zone Temps de calcul et mémoire très importants Des compétences de mécanicien des fluides nécessaires 9

10 Niveaux de détail adapté MONOZONE MULTIZONE ZONALE Code de Champs Homogène Bâtiment Hétérogène Unique pièce Global Température et Confort Puissance Chauffage/Climatisation Détail 10

11 Les familles d outils Trois grandes familles : énergétique : modélisant le comportement thermique (ex. Pleiades/Comfie, Energy+, TRNSYS, Codyba, etc.) aéraulique : décrivant les mouvements d air (ex. Contam, Comis) Thermo(-hygro)-aéraulique : couplage des deux approches (Energy+ avec couplage Comis, TRNFlow) 11

12 Les étapes clés pour mettre en place une STD La définition des zones thermiques La description du bâtiment La définition des usages Les masques et protections solaires Les équipements CVC/ECS 12

13 La définition des zones Adapter le raffinement aux besoins de l étude et à la nature du bâtiment Charges (externes, internes) Logiques de contrôle (ex. jour/nuit, régimes réduits, fonction de l occupation, etc.) 13

14 La description du bâtiment Parois opaques (enveloppe, cloisons internes) Vitrages Ponts thermiques 14

15 La définition des usages Définition des charges (scénarios) Ventilation 1. Externe : apport d air venant de l extérieur 2. Interne : apport d air venant d une zone voisine 15

16 La définition des usages Définition des charges (scénarios) Charges internes 1. Équipements 2. Personnes 3. Eclairage, Les ouvrants (ventilation naturelle) et volets 16

17 Les masques et protections solaires Définition des masques solaires 1. Masques lointains (arbres, montagnes, bâtiments voisins, etc. 2. Masques proches (modénatures, brises soleil, etc.) 3. Masques amovibles : volets, stores, etc. 17

18 Les équipements CVC/ECS 2 approches : 1. Principe de régulation Consignes Besoins en chauffage et rafraîchissement Le système évalue la puissance à fournir à chaque instant pour obtenir la consigne 18

19 Les bases de la modélisation multizone 2. Description des composants des équipements Détails des composants (ex. chaudière, pompe, boucle de distribution et émetteurs) Loi de contrôle des équipements 19

20 Trouver l outil le mieux adapté à ses besoins Optimisation de l enveloppe (Comfie, VE, EnergyPlus, ) Évaluer les choix architecturaux Proposer des solutions passives (surfaces, orientation, protection des vitrages) Intégration des équipements (VE, EnergyPlus, ESP-r, TRNSYS, ) Evaluer la consommation (pour des technologies plus innovantes) 20

21 Optimisation de l enveloppe (énergie) Objectif n 1 : limiter la consommation de chauffage Isolation performante (Ponts thermiques) Favoriser les apports solaires Équipements performants : rendements et régulation (programmation) Objectif n 2 : assurer le confort d été en limitant le recours à la climatisation Modifier l inertie du bâtiment Concevoir les protections solaires fixes (ex. casquettes) et amovibles (ex. stores) Trouver un compromis 21

22 Que peut-on attendre de la STD? Quelle fiabilité des résultats? Validité des outils? Qualité des données? Expertise de l utilisateur? 22

23 Exemple de projets Choix de produits Gros éléments Paroi 23

24 Travail sur la ventilation naturelle EXTENSION ET REHABILITATION DE L INSTITUT D ETUDES POLITIQUES A BORDEAUX (33) Maître d Ouvrage : Conseil régional d Aquitaine Architecte : Agence Baggio-Piechaud / Agence Arotcharen 24

25 Travail sur la ventilation naturelle N SHON : m² Mixte rénovation / neuf 25

26 Travail sur la ventilation naturelle Localisation Caractéristiques U parois Murs extérieur Murs béton + 20cm d isolation laine de verre par l extérieur 0.17 Mur atrium Mur béton avec 5cm d isolant 0.32 Localisation Caractéristiques Plancher bas béton 20cm + PSE 10cm par l extérieur 0.25 Plancher intermédiaire Béton 20cm 9 Localisation Nature des matériaux U parois Salle d enseignement Toiture plate en béton isolée 0,11 Atrium Toiture (bac acier + 9cm d isolant) 0.36 Localisation Nature des matériaux Coeff U FS Façade Sud est ouest DV Argon 1.7 0,6 Façade Nord DV Argon 1.7 Base 0.6 Variantes à valider 0.4 ou 0.3 Verrière de l atrium DV Argon 2.1 0,5 26

27 Travail sur la ventilation naturelle OBJECTIF Quantifier l impact de la ventilation naturelle sur le confort d été des bureaux et déterminer la répartition des courants d air. 27

28 Travail sur la ventilation naturelle Dimensionnement des ouvrants de l atrium Une ventilation naturelle de 15m² permet d atteindre en été la température extérieure, en moyenne dans l atrium 28

29 Travail sur la ventilation naturelle Hypothèses 2 bureaux modélisés échantillonnage représentatif Hypothèse de simulation Occupation : 1 personne de 8h 18h Ventilation mécanique : 18 m 3 /h/personnes Puissance dissipée : 7 W/m² Hypothèse d ouvrant Ouverture des fenêtres en journée dés que la température dépasse 22 C. 29

30 Travail sur la ventilation naturelle Hypothèses 2 bureaux modélisés échantillonnage représentatif Hypothèse de simulation Occupation : 6 personnes de 8h 18h Ventilation mécanique : 18 m 3 /h/personnes Puissance dissipée : 7 W/m² Hypothèse d ouvrant Ouverture des fenêtres en journée dés que la température dépasse 22 C. 30

31 Travail sur la ventilation naturelle Résultats de l étude Bureau chargé de mission D1.12 La simple ouverture de la fenêtre permet : Une ventilation moyenne du local de 3,3 Vol/h Une atténuation des pics de température compris entre 1 et 2 C 31

32 Travail sur la ventilation naturelle Résultats de l étude Bureau chargé de mission D1.12 Gain 150 h ne dépassant plus 28 C grâce à une ventilation naturelle du local 32

33 Travail sur la ventilation naturelle Résultats de l étude Salle Monnet Deplace La simple ouverture de la fenêtre permet : Une ventilation moyenne du local de 3,3 Vol/h Une atténuation des pics de température compris entre 0,5 et 1 C 33

34 Travail sur la ventilation naturelle Résultats de l étude Salle Monnet Deplace Gain 100 h ne dépassant plus 28 C grâce à une ventilation naturelle du local 34

35 Travail sur la ventilation naturelle Résultats de l étude Salle Monnet Deplace Balayage d air 35

36 Travail sur les protections solaires et les menuiseries RÉNOVATION DE LA RÉSIDENCE UNIVERSITAIRE JEAN ZAY À ANTONY (92) Maître d Ouvrage : Communauté d Agglomération des Hauts-de-Bièvre Architecte : Ateliers Jean Nouvel 36

37 Travail sur les protections solaires et les menuiseries Bâtiment R+9 SHON : 7250 m² Orientation : SUD-EST / NORD-OUEST 2 niveaux administratif et 7 niveaux de logements 37

38 Travail sur les protections solaires et les menuiseries N 38

39 Travail sur les protections solaires et les menuiseries OBJECTIF Qualifier le choix des caractéristiques de menuiseries au moyen de simulations croisées 39

40 Travail sur les protections solaires et les menuiseries HYPOTHESES Façade en réhabilitation Peinture isolante 4 mm Béton 80 mm Isolant laine de roche 120 mm Doublage Caractéristiques U = 0.29 W/m².K Plancher bas sur terre-plein et sous-sol Plancher bas sur extérieur Plancher intermédiaire partie isolée (autre espace) Béton 30 cm Isolation Fibra 15 cm Béton 30 cm Isolation Fibra 15 cm Béton 300 mm U = 0.24 W/m².K U = 0.24 W/m².K U = 5.83 W/m².K Toiture Isolation polyuréthane de 180 mm Béton (épaisseur 200mm) U = 0.14 W/m².K 40

41 Travail sur les protections solaires et les menuiseries HYPOTHESES DE FONCTIONNEMENT Ventilation : 35 m 3 /h Occupation : 1 personne Puissance dissipée : 5W/m² 41

42 Travail sur les protections solaires et les menuiseries Résultats de simulations Indicateurs indépendants Impact sur les besoins en chauffage Impact sur le confort d été 42

43 Travail sur les protections solaires et les menuiseries Procédés de normalisation Valeur de référence haute Indicateur = Valeur de l indicateur Maximale des valeurs SL AC Tranche de valeurs Indicateur = Valeur de l indicateur différences des extrêmes LAC USL Valeur de référence basse Indicateur = Valeur de l indicateur Minimal des valeurs AC SL 43

44 Travail sur les protections solaires et les menuiseries Résultats de simulations Indicateurs croisés 44

45 Travail sur les protections solaires et les menuiseries Choix du facteur solaires pour chaque façade 45

46 08/10 01:00:00 08/10 08:00:00 08/10 15:00:00 08/10 22:00:00 08/11 05:00:00 08/11 12:00:00 08/11 19:00:00 08/12 02:00:00 08/12 09:00:00 08/12 16:00:00 08/12 23:00:00 08/13 06:00:00 08/13 13:00:00 08/13 20:00:00 08/14 03:00:00 08/14 10:00:00 08/14 17:00:00 08/14 24:00:00 08/15 07:00:00 08/15 14:00:00 08/15 21:00:00 08/16 04:00:00 08/16 11:00:00 08/16 18:00:00 08/17 01:00:00 08/17 08:00:00 08/17 15:00:00 08/17 22:00:00 08/18 05:00:00 08/18 12:00:00 08/18 19:00:00 08/19 02:00:00 08/19 09:00:00 08/19 16:00:00 08/19 23:00:00 08/20 06:00:00 08/20 13:00:00 08/20 20:00:00 Travail sur les protections solaires et les menuiseries Confirmation des conditions de confort atteint 35,00 35,00 30,00 25,00 20,00 15,00 10,00 30,00 25,00 20,00 15,00 10,00 Environment R+ 3 - ST INT - Etude du R+ 3 - ST INT - Etude du C 26 C 46

47 Travail sur la forte inertie des bâtiments DARWIN : REHABILITATION D UNE CASERNE MILITAIRE EN UN ECOPOLE EXEMPLAIRE A BORDEAUX (33) Maître d Ouvrage : Groupe Evolution Architecte : Agence Martin-Gravière 47

48 Travail sur la forte inertie des bâtiments N SHON : m² Rénovation 48

49 Travail sur la forte inertie des bâtiments 49

50 Travail sur la forte inertie des bâtiments OBJECTIF Qualifier l intérêt énergétique d isoler une paroi à forte inertie au regard des conséquences en termes de transfert d humidité 50

51 Travail sur la forte inertie des bâtiments Localisation Caractéristiques U parois Murs extérieur Pierre naturelle 50 cm en moyenne 1.42 Localisation Caractéristiques Plancher bas isolé béton 20cm + PSE 7cm par l extérieur 0.36 Plancher intermédiaire Béton 20cm 9 Localisation Nature des matériaux U parois Toiture Magasin Nord Isolation Pure One 20 cm + bétostyrene 4 cm et bac acier 0.17 Toiture Magasin SUD Toiture (bac acier) Isolation en comble Pavatherm 30 cm 0.14 Localisation Nature des matériaux Coeff U FS Vitrage DV Argon 1,6 Variant selon la position Toiture DV Argon 1.5 0,42 51

52 Travail sur la forte inertie des bâtiments Bureau : 1 personne/10 m² Salle de réunion : 1 personne/3m² Salle de conférence : 210 personnes 1 matinée/semaine 18 m 3 /h/personne 7 W/m² selon la présence des personnes 52

53 Travail sur la forte inertie des bâtiments Impact de l isolation des murs sur le besoin de chauffage 18,00 16,00 14,00 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 15,78 13,40 13,31 Ecart de 2 kwh/m² pour 20 cm d isolant 0,00 Epaisseur isolant façade = 0 cm Epaisseur isolant façade = 100 cm Epaisseur isolant façade = 200 cm 53

54 Pression partielle de vapeur (Pa) Pression partielle de vapeur (Pa) Pression partielle de vapeur (Pa) Travail sur la forte inertie des bâtiments Calcul d hygrométrie au niveau des murs Sans isolant Pression partielle de vapeur saturante [Pa] Pression partielle de vapeur effective [Pa] 2500 E X 2000 Isolation minérale 10 cm + Pare vapeur «peu étanche» Pression partielle de vapeur saturante [Pa] Pression partielle de vapeur effective [Pa] profondeur du mur [mm] IN T 0 profondeur du mur [mm] INT 2500 E X 2000 Pression partielle de vapeur saturante [Pa] Pression partielle de vapeur effective [Pa] profondeur du mur [mm] INT Isolation minérale 10 cm + Pare vapeur «très étanche» 54

55 Travail sur la forte inertie des bâtiments Quels conséquences? 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 0,00 Besoin chauffage 21,96 kwh/m² 15,55 kwh/m² Cas base Cas sans isolation Importance de l isolation en plancher et en toiture Besoin chauffage Besoins en chauffage 17 16,82 16,5 16, ,83 15,5 15, ,5 CAS INITIAL PAVATHERM 300 PAVATHERM 250 PAVATHERM 200 Besoins Magasin Sud 55

56 Travail sur la forte inertie des bâtiments Quels conséquences? Choix des menuiseries FS2/FS1 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,1 16,10 15,85 15,57 15,52 14,90 14,56 0,2 16,03 15,99 15,47 15,17 14,85 14,52 0,3 15,93 15,69 15,41 15,11 14,80 14,46 FS1 : 0,6 FS2 : 0,2 FS2/FS1 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,1 0,08 0,09 0,12 0,07 0,13 0,17 0,2 0,06 0,05 0,08 0,10 0,13 0,17 0,3 0,06 0,07 0,09 0,11 0,14 0,19 Besoins chauffage : 15,17 kwh/m² Besoins refroidissement : 0,10 kwh/m² 56

57 Travail sur la forte inertie des bâtiments Quels conséquences? Evolution de la température le 18 Juillet Impact sur le confort intérieur /18 01:00:00 07/18 02:00:00 07/18 03:00:00 07/18 04:00:00 07/18 05:00:00 07/18 06:00:00 07/18 07:00:00 07/18 08:00:00 07/18 09:00:00 07/18 10:00:00 07/18 11:00:00 07/18 12:00:00 07/18 13:00:00 07/18 14:00:00 07/18 15:00:00 07/18 16:00:00 07/18 17:00:00 07/18 18:00:00 07/18 19:00:00 07/18 20:00:00 07/18 21:00:00 07/18 22:00:00 07/18 23:00:00 07/18 24:00:00 Environment ( C) MAGAZINSUD_LOT4 ( C) 57

58 Que peut-on attendre de la STD? Evaluer la fiabilité des prévisions Paramètres de conception Sollicitations : Climatiques Usager STD Réponse? Valider les modèles Rendre compte des incertitudes liées aux entrées (paramètres/sollicitations) sur les prévisions 58

59 Méthodes pour évaluer la fiabilité des outils ANR FIABILITE ( ) Identification des sources d incertitudes et de biais Propagation des incertitudes Validation expérimentale de modèles 59

60 Les données climatiques Maison Passive à Genève dans les années 90 Jusqu à 30% d écart avec la référence (a) Besoins de chauffage (b) Degrés jours unifiés et rayonnement direct moyen annuel DEBATEK du 06/12/12 Figure 1.2 La simulation Besoins de thermique chauffage, dynamique degrés jours unifiés et rayonnement direct moyen 60

61 Incertitude sur les paramètres de conception Etude de cas : plateforme expérimentale INCAS CEA- LITEN Institut national de l énergie solaire, Chambéry, Savoie Maison passive (DM et BB) 61

62 Incertitudes sur les paramètres de conception Comparatif DM/BB (maisons passives) avec RT2005 Incertitudes sur les besoins en chauffage 62

63 Incertitudes sur les paramètres de conception Des écarts de plus d un degré sur les températures (Zone RDC) 63

64 Prudence Incertitudes associées aux résultats significatives Simulation d un objet très simplifié Un usage idéalisé Pas d intéraction de l occupant avec son environnement La responsabilité du modélisateur Transformation des données Hypothèses : zonage, choix des modèles Une modélisation très simplifiée Des sollicitations inconnues à long terme 64

65 Les développements en cours Prise en compte de l usager (modélisation déterministe ou stochastique) Amélioration de la physique : Phénomènes 2D/3D (ponts thermiques) Présence d humidité Rayonnement solaire Interfaçage outils STD/moteur RT2012 Interopérabilité et co-simulation Conception multi-physique 65

66 Interopérabilité et co-simulation Principes : Exploiter les spécificités des outils existants Développer de nouveaux modèles sous une forme neutre (indépendance modèle/solveur) Permettre l échange d informations en cours de simulation entre les différents environnements et orchestrer la simulation Différentes voies opérationnelles : Functional Mok-up Interface (FMI) L approche par composants logiciels 66

67 Implémentation de nouveaux modèles Environnement pour capitaliser les nouveaux développement : MODELICA Principes : 1. Une sémantique pour décrire les modèles et les connexions 2. Un solveur algébro-différentiel générique : OpenModelica, JModelica ou Dymola 67

68 Implémentation de nouveaux modèles MODELICA : Des secteurs de l industrie impliqués dans la modélisation multi-physique (Automobile, aéronautique, EdF R&D) Projet collaboratif : Modelica Library for Building Energy and Control Systems (M. Wetter, LBNL) 68

69 Co-simulation avec Functional Mockup Interface (FMI) 69

70 Approche par composant logiciel ICAR-MUSE Les modèles boîte blanche ou boîte noire sont projetés dans une entité informatique (composant logiciel) Le composant est capable de fournir des services standardisés pour le calcul via des services (y compris services web) Possibilité de faire co-simuler via une architecture distribuée (Cloud-computing) 70

71 Pour plus d informations Inventaire des outils disponibles: ings/tools_directory/ Comparaison entre 20 outils Comparison of Capabilities of 20 Building Simulation Programs IBPSA

72 Contacts Laurent MORA IUT Génie Civil / I2M laurent.mora@upbordeaux1.fr Romain PERIE NOBATEK rperie@nobatek.com 72