ADEME - PUCA Journée thématique Enveloppe du Bâtiment. Bruno PEUPORTIER et Alain GUIAVARCH ARMINES - École des Mines de Paris CENERG

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Cyprien Chartier
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1 ADEME - PUCA Journée thématique Enveloppe du Bâtiment MURS SOAIRES À ISOATION RENFORCÉE Bruno PEUPORTIER et Alain GUIAVARCH ARMINES - École des Mines de Paris CENERG Bruno MARCONATO et Henri SACCHI SOGEA CONSTRUCTION Objectis de la recherche Réduire d un acteur 4 les émissions de CO des bâtiments à l horizon 050, renorcement progressi de la RT et amélioration des bâtiments existants Façades double peau comme alternative à l isolation opaque, intéressant aussi en réhabilitation Evaluer la productivité thermique pour diérentes typologies (avec et sans circulation d air) Concevoir un composant optimisé Evaluer l intérêt économique et environnemental du concept sur des cas types (logements collectis, maison individuelle)

des bâtiments existants Façades double peau comme alternative à l isolation opaque, intéressant aussi en réhabilitation Evaluer la productivité thermique pour diérentes typologies

2 Evaluation du potentiel Une maison bien exposée en Ile de France reçoit, sur une saison de chaue, un rayonnement solaire de l ordre de 8 ois supérieur à ses besoins de chauage (,5 ois en décembre) Seulement à 5% de l énergie solaire reçue est valorisée actuellement Peut-on valoriser cette énergie plus eicacement? Utilisation de vitrages isolants ou d isolants transparents Stockage de l énergie, relève des gains directs par les vitrages en soirée Typologie Dié Diérents types d d inté intégration Allège de vitrage, préchauage Double peau, ventilation Mur Trombe, chauage matériau ( ) 3

3 Typologie : diérents modes de circulation d aird 4 Diérents phénom nomènes nes physiques couplés Captage de chaleur : transmission absorption : α = 0.96, ε = 0.05 transert Stockage et distribution de chaleur 5 3

Captage de chaleur : transmission absorption : α = 0.

4 Modélisation Solaire thermique à air Modèle de capteur à air Couverture (vitrage) ame d air Isolant Extérieur α v G τ v α a G Arrière du capteur x T T T 0 T T ext Tback /h R R ext /h C /hc R 3 /h back /h r - Transert convecti entre le capteur et l air en mouvement : m& C ( ) ( ) () p = hc A T T + hc A T T m& avec : débit massique de l air dans le capteur (kg/s), T : température moyenne de l air (K) Cp : chaleur spéciique de l air (J/kg/K), x' x = x/ : position (relative) par rapport à l axe principal (parallèle au sens d écoulement du luide) T A, (resp. A ): surace de la couverture (resp. de l absorbeur). - Bilan des lux thermiques aux trois nœuds de température T 0, T et T : avec T sol = onction (T ext ; G, h ext, h r, α v, ) T R = onction (T back, h back,h r τ v, α a, ) h a = onction (h c, h ext, ) h r = onction (h c, h back, ) T m& C p = h x' h A ( T T ) = h A C h a A ( T T ) = h A C A ( T T ) + h R ( T ' sol T ) ( T ' T ) A ( T R T ) ' ' A sol R R () 6 Modélisation calcul du débit d d aird Convection naturelle Etude bibliographique (Brinkworth, Hypri ) Modèle 4 gsin Conservation de la quantité de mouvement (régime stationnaire) : ( ) = K U + K U U D h m 3 θ Circuit d air avec U = 0 U (resp.u 3 ) w d D h θ ρ 0 ρ m ρ (resp.ρ 3 ) K, K 3 g m : vitesse moyenne de l'air dans le capteur, : vitesse moyenne de l'air à l'entrée (resp. à la sortie) du capteur, : longueur du capteur, : largeur du capteur, : épaisseur de la lame d'air, : diamètre hydraulique du conduit, : inclinaison du capteur par rapport à l'horizontal, : coeicient de rottement dans la lame d'air, : densité de l'air à l'extérieur, : densité moyenne de l'air dans le capteur, : densité de l'air à l'entrée (resp. à la sortie) du capteur, : coeicients de perte de charge à l'entrée et à la sortie du capteur, : accélération universelle (m/s_). 7 4

air (K) Cp : chaleur spéciique de l air (J/kg/K), x' x = x/ : position (relative) par rapport à l axe principal (parallèle au sens d écoulement du luide) T A, (resp.

5 Modélisation Calcul du débit d d aird Convection naturelle Conservation de la masse : U=, U wd m & = wd m & m et U3= wd m & Circuit d air et ρ ρ 3 ρ m ρ 0 ( ) ( ) 3 m& K + K + = D S P TH wd C 0 p g sin θ Si écoulement laminaire : = Re D h Re = UD / h n 3 A m& + Bm& + Cm& + D = 0 Couplage débit / transert convecti 8 Modélisation Ecoulement d aird Validation : comparaison avec outil de type CFD ( EtuCo EEVAM, Univ. Cergy) Extérieur Paroi opaque Paroi adiabatique Flux incident (rayonnement solaire G) d θ x y Ecoulement turbulent Modèle détaillé,50e+00,00e+00 u (m/s),50e+00,00e+00 5,00E-0 0,00E+00 0,00E+00,00E-0 4,00E-0 6,00E-0 8,00E-0,00E-0,0E-0 y (m) 9 5

6 Modélisation Ecoulement d aird Validation : comparaison avec outil de type CFD ( EtuCo EEVAM, Univ. Cergy) Extérieur Paroi opaque Paroi adiabatique Flux incident (rayonnement solaire G) d θ x y Ecoulement laminaire 5,00E-0 4,50E-0 4,00E-0 3,50E-0 U (m/s) 3,00E-0,50E-0,00E-0,50E-0,00E-0 5,00E-0 0,00E+00 0,00E+00,00E-0 4,00E-0 6,00E-0 8,00E-0,00E-0,0E-0 y (m) Si la valeur du coeicient d échange convecti calculée par les corrélations est remplacée par la valeur calculée avec le modèle EtuCo, l écart sur la puissance thermique passe de 64 % à 5 %. 0 Modélisation - Bâtiment B et système solaire Modèle thermique de bâtiment Modèle aux diérences inies réduit par analyse modale Découpage en zone thermique Modèle dynamique, prise en compte de l inertie Conception bioclimatique (assurer un niveau de conort tout en minimisant les besoins énergétiques, en prenant en compte le climat) Solaire passi (véranda, vitrage, protection solaire ) Développement logiciel : outil de simulation COMFIE (CENERG) Structure de données : Couplage composant solaire / bâtiment Enveloppe du bâtiment et composant solaire Exemple : capteur à air égende : : absorbeur : couverture T Z T Z T Z : isolant : mouvement d air : parois du bâtiment : enveloppe du bâtiment (a) Bâtiment mono-zone (b) Bâtiment mono-zone + capteur à air 6

0,00E+00 0,00E+00,00E-0 4,00E-0 6,00E-0 8,00E-0,00E-0,0E-0 y (m) Si la valeur du coeicient d échange convecti calculée par les corrélations est remplacée par la valeur calculée avec le modèle EtuCo,

7 Modélisation d une d paroi selon son inertie thermique Si I > 5 Wh/K/m, n mailles, raison géométrique r e, e x r, e x r.. e x r n- Pour les parois légères, maille maille également du côté extérieur à un isolant Couplage systèmes solaires et bâtimentb Capteur hybride : égende : Convection naturelle : enveloppe du bâtiment : couverture du capteur à air : absorbeur du capteur à air : circuit d air : isolant c θ T ext P P 3 T c P P 0 T z Chauage d air 3 7

. e x r n- Pour les parois légères, maille maille également du côté extérieur à un isolant Couplage systèmes

8 Aspect environnemental ACV du bâtimentb Outil de simulation de cycle de vie de bâtiment : EQUER Construction Utilisation Déconstruction Nouveaux produits Produits recyclés Chauage, Eau, Climatisation, Electricité, Déchets ménagers, Transports quotidiens Remplacement et Maintenance Déchets ultimes Produits recyclables Intégration de composants solaires Collecte de base de données - vitrages - polycarbonate 4 Etudes paramétriques, optimisation Type de vitrage, transmission selon l angle d incidence g : simple vitrage : double vitrage θ ( ) Figure 5. : acteur solaire en onction de l'angle d'incidence. Maçonnerie, standards actuels (béton ou parpaings) Orientation et surace du mur Type d enduit (propriétés optiques) 5 8

données - vitrages - polycarbonate 4 Etudes paramétriques, optimisation Type de vitrage, transmission selon l angle d incidence g.0 0.

9 Protection contre les surchaues d éd été Blocage de la circulation d air et isolation Ventilation naturelle du mur solaire Protections solaires Masques architecturaux Façade ade sud Façade ade ouest 6 COMFIE (simulation thermique) izuba.r Besoins de chauage et de climatisation Proils de température 7 9

architecturaux Façade ade sud Façade ade ouest 6 COMFIE (simulation thermique)

10 Application Cas d éd étude Immeuble HM de 5 logements Maison individuelle bardage bois isolant vitr age mouvement d air maçon nerie Bâtiment résidentiel 8 Résultats de l analyse l thermique Immeuble HM, réduction des besoins de chauage 80 besoins de chauage (kwh/m/an) simple vitrage double vitrage avec mur solaire épaisseur d'isolant (cm) 9 0

thermique Immeuble HM, réduction des besoins de chauage 80 besoins de chauage (kwh/m/an) 60

11 Résultats Cas d éd étude Productivité, réduction des besoins de chauage en kwh par m et par an 50 Productivité (kwh/m?) Résid. collecti (type ) Résid. individuel Résid. collecti (type ) Variations paramétriques Cas d éd étude Variation de la productivité en onction des diérents paramètres (base = 60 kwh/m/an) % -0-0 Emissivité enduit = 0,9 Double vitrage standard Triple vitrage Orientation : sud-ouest Orientation : Sud-est Surace divisée par

collecti (type ) 0 0 4 6 8 0 0 Variations paramétriques Cas d éd étude Variation de la productivité en onction des

12 Conclusions Modélisation de systèmes solaires intégrés au bâtiment Couplage des diérents transerts thermiques Couplage mur solaire / bâtiment Collecte de données sur les impacts environnementaux Implémentation dans un ensemble logiciel Outil de simulation pour proessionnel du bâtiment Application sur 3 cas d étude Simulation thermique des bâtiments intégrant des murs solaires Optimisation du composant Modèle de connaissance permettant de connaître l intérêt environnemental de diérents murs solaires Perspectives : optimisation et bilan technico-économique

proessionnel du bâtiment Application sur 3 cas d étude Simulation thermique des bâtiments intégrant des murs solaires Optimisation du

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