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1 9DOLGDWLRQH[SpULPHQWDOHGXFRGH$,53$. SRXUO pwxghg XQHYHQWLODWLRQSDUGpSODFHPHQW GDQVXQEXUHDX Présenté par Mme Sophie LOUAGE(*) (*) FLUENT France, Immeuble Central Gare, 1 place Charles de Gaulle, Montigny-le-Bretonneux (tél : ; sophie.louage@fluent.fr) 5(680( Les calculs présentés ici visent à valider l utilisation du logiciel AIRPAK pour simuler la climatisation de bureau par des systèmes de ventilation par déplacement. AIRPAK est un logiciel qui utilise la Mécanique des Fluides Numérique (CFD), calcule les écoulements en transfert thermique pour optimiser des systèmes de ventilation et climatisation.,1752'8&7,21 Ce calcul a pour but d étudier un système de ventilation par déplacement dans un bureau classique (5,16m x 3,65m x 2,43m). Les mesures expérimentales réalisées nous ont donné les températures des murs, les vitesses moyennes dans l écoulement, les températures moyennes dans l écoulement, les fluctuations de vitesse ainsi que les concentrations de traceur dans la pièce. Il y a plusieurs sources de chaleur ponctuelles dans le bureau : 2 mannequins (75 watts chacun) 2 ordinateurs (108 Watts et 173 Watts) 4 néons (34 Watts chacun) frais entrant par un diffuseur à déplacement (aire de passage relative 32% de l aire totale) situé à la base de l un des murs. L aspiration s effectuait au travers d une grille centrale au )LJXUH*pRPpWULH plafond. Les données expérimentales fournissent un moyen d évaluer les aptitudes d un logiciel à prédire précisément l écoulement et le transfert thermique pour des systèmes de ventilation par déplacement. Les conditions aux limites thermiques pour les murs et la fenêtre ont été imposées grâce aux valeurs expérimentales. Des émetteurs d un gaz traceur (SF 6 ) (0.02mX0.02mX0.02m) ont été placés sur chacun des mannequins. Le débit de chacun de ces émetteurs étaient de 0,1331 l/h. Le bureau était ventilé avec de l air

2 *UDQGHXUVDGLPHQWLRQQHOOHV L utilisation de ces résultats expérimentaux pour l étude de système de ventilations de pièces à l échelle réelle est possible si les nombres adimentionnels déterminants dans l écoulement sont conservés. Le nombre d Archimède, $U, permet de comparer les forces créées par les variations de densité aux forces inertielles provenant du système de ventilation. Plus ce nombre est grand, plus les variations de densité sont déterminantes dans les structures de l écoulement. Ar = gβ T/U 2 Le Nombre de Rayleigh, 5D, peut être utilisé pour déterminer le régime de convection naturelle, laminaire ou turbulent. La transition laminaire turbulente intervient dans la plage : 10 7 <Ra<10 9 Ra = gβ TL 3 /να Un autre paramètre, le $&+ quantifie le taux de renouvellement volumique en air frais dans la pièce. 0LVHHQSODFHGXFDOFXO Une simulation instationnaire ( t=10s) à cause de la nature instationnaire des écoulements de convection naturelle tels que ceux générés par les systèmes de ventilation par déplacement avec leur faible vitesse de soufflage et leur température de soufflage relativement faible (13 0 C dans ce cas) Maillage hexaédrique : cellules hexaédriques ont été utilisées pour représenter le bureau. La taille maximale des cellules était de 0.2 m, l allongement maximal était de 4, et le nombre minimum d élément sur une arête solide était de 1. g (m/s 2 ) β (K -1 ) T (K) e L (m) ν (m 2 /s) α (Wm 2 /J) U (m/s) e e Ra = 6.47E+9 Ar = 2.47 ACH = 5.0 +\SRWKqVHVGHFDOFXO HWPRGqOHVSK\VLTXHV Calcul instationnaire : 0 s à 3600 s Utilisation d une macro pour la représentation du diffuseur à déplacement (Aire relative de passage = 0.32) Turbulence : modèle de turbulence «zeroequation indoor airflow» Rayonnement : Modèle de rayonnement surface à surface Transport des espèces : mélange d air et de SF 6 )LJXUH0DLOODJH Schémas de discrétisation Pressure body-force weighted 2 ème ordre 2 ème ordre 2 ème ordre Sous relaxation Forces Continuité volumiques Critère de convergence Continuité 1.0e e e e-06

3 5pVXOWDWV Figure 4. Contours de la température calculée à y=1.825 m Figure 5. Contours de la concentration de traceur calculée à y=1.825 m Point 5 Points de mesure Figure 8. Comparaison des profils de vitesse calculés et mesurés Figure 6. Contours de l âge moyen de l air calculé à y=1.825 m Figure 7. Vecteurs vitesses calculés à y=1.825

4 Point 5 Points de mesure Figure 9. Comparaison des profils de température calculés et mesurés. Point 5 Points de mesure Figure 10. Comparaison des profils de concentrations calculés et mesurés &21&/86,21 Airpak a prédit avec précision les performances du système de ventilation par, déplacement dans cette géométrie. Les résultats numériques et expérimentaux concordaient bien au niveau du point de reprise : Température calculée 22.4 o C comparé au 22.2 o C mesurée Concentration du traceur calculée ppmv comparé au ppmv mesurée. Les Figures 4 à 7 montrent que les résultats obtenus par simulation ont donné les bonnes tendances pour la description du système de ventilation dans un bureau. La figure 4 montre les contours de température dans un plan médian à la pièce et confirme la stratification thermique qui apparaît dans les systèmes de ventilation par déplacement. La Figure 5 montre les contours de concentration du traceur et les zones de fortes concentrations correspondant aux zones où le panache du traceur était venu se fixer. La figure 6 montre les contours de l âge moyen de l air où l air frais se situait dans les zones occupées et l air le plus vieux dans les zones inoccupées supérieures. Les vecteurs vitesses de la Figure 7 montrent les structures de l écoulement dans la pièce. Elles sont caractérisées par de faibles vitesses dans la pièce après que l air frais entrant se soit rapproché du sol par convection naturelle. Les comparaisons entre les résultats expérimentaux et numériques pour la vitesse moyenne, la température de l air et la concentration de traceur sont présentées dans les figures 8 à 10 pour 5 points de mesures à l aval du diffuseur dans le plan médian de la pièce. La vitesse moyenne de l air a été mesurée avec une incertitude de 0,0265 m/s et la température de l air avec une incertitude de 0,5 o C. Pour la vitesse moyenne, Figure 8, les valeurs se recoupent à l incertitude près sauf pour le premier point de mesure à partir du sol pour les points 2-5. Pour la température, Figure 9, la comparaison des résultats est bonne et montre bien la stratification qui se développe entre l air et froid proche du sol et l air chaud près du plafond. Finalement, les résultats des concentrations du traceur, Figure 10, montrent

5 les mêmes tendances que les valeurs expérimentales et des grandeurs quantitatives proches des mesures (l incertitude de mesure n est pas fournie pour les mesures de concentration du traceur). A partir de la comparaison avec les résultats expérimentaux pour un système de ventilation par déplacement à échelle 1, nous pouvons conclure que les caractéristiques de mélange turbulent ont été représentées de manière correct par le modèle de turbulence «indoor zero-equation», que les performances du diffuseur à déplacement ont été modélisées correctement par la macro d Airpak, et que les parts du transfert thermique convectif et radiatif sur les parois (murs et objets) ont été correctement prises en compte par le modèle de rayonnement surface à surface d Airpak. 5()(5(1&(6 Chen, Qingyan and Srebric, Jelena LPSOLILHG 'LIIXVHU %RXQGDU\ &RQGLWLRQV IRU 1XPHULFDO 5RRP $LUIORZ 0RGHOV, ASHRAE RP-1009, August 5, 2000, pp