SYNTHÈSE DE PROJET DE FIN D ÉTUDES

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1 GÉNIE CLIMATIQUE ET ÉNERGÉTIQUE SYNTHÈSE DE PROJET DE FIN D ÉTUDES ÉTUDE DU CONFORT RESSENTI DANS ESPACES INTÉRIEURS ET EXTÉRIEURS Projet de Fin d Études réalisé à TRANSSOLAR à Stuttgart par Thiébaut PARENT Tuteur INSA : Carmen VASILE-MULLER Tuteur entreprise : Arnaud BILLARD AOUT 2012

2 FICHE D OBJECTIFS DU PFE SUJET : ÉTUDE DU CONFORT RESSENTI DANS ESPACES INTÉRIEURS ET EXTÉRIEURS Travail préliminaire consistant en une recherche de documents (normes, publications scientifiques etc.) traitant des problématiques de confort dans différents climats. L objectif est d en réaliser une synthèse qui servira également de base de travail au PFE. Etude de paramètres météorologiques (température, humidité, vitesse du vent etc.) afin de mieux cerner en quoi des conditions climatiques en milieux chauds et humides diffèrent de celles d un climat tempéré. Suite à cela, proposer des solutions adaptées aux climats chauds et humides en vue d améliorer le confort extérieur. Utilisation d un outil de simulation dynamique (TRNSYS) et d un logiciel interne de température perçue afin d évaluer le confort tant intérieur qu extérieur dans un éco-parc (parc urbain comportant également des espaces intérieurs). Le projet étudié sera situé dans un environnement chaud et humide (parc de Taichung à Taïwan par exemple). Il s agit donc de simuler différentes solutions, afin de voir lesquelles sont les plus pertinentes pour améliorer le niveau de confort dans cet environnement. Développer des stratégies d optimisation du confort en environnements chauds et humides, et apporter à l entreprise une meilleure connaissance de ce sujet. REMERCIEMENTS Je tiens à remercier mes tuteurs : Carmen VASILE-MULLER, Helmut MEYER, Arnaud BILLARD pour leurs conseils tout au long du PFE, mais également Raphaël LAFARGUE, Christian FRENZEL, Daniel PIANKA et Martin ENGELHARDT pour leur aide précieuse et avisée durant ces six mois. Je remercie l équipe dans son ensemble, et plus particulièrement les managers de TRANSSOLAR, pour m avoir donné l opportunité d effectuer mon projet de fin d études dans ce bureau prestigieux.

3 Résumé La problématique du confort thermique est devenue l une des préoccupations majeures dans le domaine de l ingénierie climatique. L urbanisation massive, combinée à un nombre de personnes toujours plus important travaillant dans des environnements clos, nécessitent des études approfondies afin de permettre aux usagers de bâtiments ou d espaces publics d évoluer dans un environnement thermiquement confortable. L objet premier du PFE est de réaliser un document récapitulatif des normes et savoirs existants en matière de confort thermique intérieur et extérieur. Par la suite, des études de confort thermique extérieur sont présentées pour deux projets distincts, afin d analyser le ressenti thermique des personnes dans des climats chauds et humides. Deux outils sont utilisés pour calculer les températures perçues, indice d évaluation du confort extérieur utilisé à TRANSSOLAR : un programme de calcul utilisant le solveur d équations EES, dans lequel le modèle de transfert thermique décrit est unidimensionnel ; et TRNSYS, logiciel de simulation thermique dynamique permettant de prendre en compte les échanges thermiques dans les trois dimensions spatiales. Mots clés Confort thermique intérieur et extérieur, température perçue, TRNSYS, modèle 3D Abstract : Study of perceived thermal comfort in indoor and outdoor environments The issue of thermal comfort became one of the major preoccupations in the field of climate engineering. Massive urbanization, combined with the always growing number of people living in closed environments, needs deepened studies to allow users of building or public spaces to evolve in thermally comfortable environments. The first aim of this master thesis is to realize a summarizing document about existing norms and knowledge on indoor and outdoor thermal comfort. Then, outdoor comfort studies are presented for two different projects, to analyze the thermal perception of persons in hot and humid environments. Two tools are used to calculate perceived temperatures, outdoor comfort index used at TRANSSOLAR : one program using the equation solver EES, in which the described heat transfer model is one-dimensional ; and TRNSYS, thermal dynamic simulation program which allows thermal exchanges to be taken into account in the three dimensions of space. Keywords Indoor and outdoor thermal comfort, perceived temperature, TRNSYS, 3D model Zusammenfassung : Studie der Behaglichkeit in Innen- und Außenumgebungen Thermischer Komfort ist heute eine der wichtigsten Gesichtspunkte im Bereich Gebäudetechnik. Die massive Urbanisierung, und die immer größere Anzahl an Personen, die in künstlichen Umgebungen arbeiten, erfordern sorgfältige Studien, damit sich die Benutzer von Gebäuden oder öffentlichen Orten in thermisch behaglichen Umgebungen bewegen können. Das erste Ziel dieser Masterarbeit ist, ein zusammenfassendes Dokument über die existierenden Normen und heutiges Wissen im Bereich Innen- und Außenkomfort zu zusammenzustellen. Danach werden Außenkomfortstudien für zwei unterschiedliche Projekte vorgestellt, um die Behaglichkeit von Personen in heißen und feuchten Umgebungen zu analysieren. Zwei Tools werden benutzt, um die gefühlten Temperaturen zu berechnen, Außenkomfortindex, der bei TRANSSOLAR SOLAR benutzt wird: ein Programm, das den Gleichungssolver EES benutzt, in dem das beschriebene Wärmeaustauschmodell eindimensional gelöst wird ; und TRNSYS, ein Programm zur thermischen dynamischen Simulation, das Wärmeströme dreidimensional berechnet. Stichwörter Raumklima, Behaglichkeit, gefühlte Temperatur, TRNSYS, 3D Modell 1

4 Sommaire Projet de Fin d Études Introduction THEORIE DU CONFORT LE CONFORT THERMIQUE INTERIEUR Principaux indices de confort thermique intérieur Définition du confort thermique intérieur Modèle de Fanger (pour les bâtiments ventilés mécaniquement) Le standard de confort adaptatif (pour les bâtiments ventilés naturellement) LE CONFORT THERMIQUE EXTERIEUR Principaux indices de confort thermique extérieur Définition du confort thermique extérieur TABLEAU RECAPITULATIF DE L UTILISATION DES INDICES CLIMATIQUES SELON LA SITUATION ETUDIEE OUTILS DE SIMULATION MODELE PHYSIQUE SIMPLE (LOGICIEL EES COUPLE A EXCEL) MODELE PHYSIQUE DETAILLE (LOGICIEL TRNSYS) S) Description du logiciel TRNSYS Principe du modèle 3D ÉTUDES DE CONFORT EXTERIEUR REHABILITATION DU PORT DE TANGER (MAROC) Analyse climatique du site Etude de températures perçues : Cas hiver Etude de températures perçues : Cas été Recommandations L ECO-PARC DE TAICHUNG (TAÏWAN) Analyse climatique du site Paramètres influençant les températures perçues Etudes de températures perçues Stratégie d approvisionnement énergétique Conclusion Bibliographie Sommaire des annexes Présentation de l entreprise

5 Introduction Projet de Fin d Études Dans le cadre de ce Projet de Fin d Etudes, j ai eu l occasion de travailler sur le thème du confort thermique au sein du bureau d ingénierie TRANSSOLAR. Spécialisé dans le conseil énergétique depuis maintenant vingt ans, TRANSSOLAR a toujours eu pour objectifs d optimiser le confort, qu il soit intérieur ou extérieur, tout en réduisant aussi fortement que possible l impact environnemental de ses choix technologiques dans ses projets de bâtiments ou d urbanisme. La problématique du confort thermique dans le bâtiment n est pas nouvelle. Socrate, déjà, évoquait au V e siècle avant J.-C. l intérêt de bien orienter les pièces à vivre de sa maison au soleil de midi, afin de profiter des apports solaires gratuits en hiver, et conserver une atmosphère intérieure plus fraîche en été, lorsque le soleil est haut. Ce n est toutefois que récemment, au cours du XX e siècle, que la problématique de confort thermique dans les bâtiments a été étudiée de manière approfondie par de nombreux scientifiques. Ceci est grandement dû à l accroissement de la proportion de personnes travaillant dans des environnements clos. Haldane en 1905, Yagloglou en 1923, mais surtout Fanger dans les années 1970 ont notamment contribué à l évolution de ces connaissances, et certains de leurs travaux sont encore utilisés aujourd hui. Ces derniers ont permis de déterminer quels paramètres influencent le confort thermique. Des critères de conception ont ainsi pu être déterminés, et compilés dans différentes normes, afin que les solutions techniques retenues garantissent un confort maximal aux occupants des bâtiments. Cette recherche du confort est cependant loin d être une simple préoccupation utopiste de thermiciens. De nombreuses études ont en effet démontré l impact économique d un mauvais confort dans les bâtiments. Le syndrome du bâtiment malsain est l une des conséquences de mauvais dimensionnements ionnements ou choix techniques. Ainsi, une étude portant sur cent bâtiments de bureaux américains [1] a montré que la température intérieure en hiver dans ces bureaux se situait plutôt dans la tranche haute des limites fixées par l ASHRAE. Une autre étude basée sur ces observations [2] a conclu qu en abaissant la température intérieure en-dessous de ces limites, on augmenterait ait la productivité de 40 millions de personnes de 0,2%, tout en réduisant de 8 millions le nombre de personnes souffrant chaque semaine de syndrome du bâtiment malsain. Le gain économique de cette mesure a été évalué à 3,4 milliards de dollars par an, pour un coût de mise en œuvre inférieur à 0,4 milliard de dollars annuels. De plus, ces chiffres ne prennent pas en compte les économies de chauffage engendrées par cette mesure... En résumé, la problématique du confort intérieur est donc bien plus qu une simple préoccupation philosophique, puisqu elle impacte des domaines divers, tels que l économie ou l environnement. Depuis quelques années, la problématique du confort extérieur devient une préoccupation majeure de la planification ou de la restructuration urbaine. Bien que plus complexe à étudier en raison notamment, comme nous le verrons plus tard dans cette étude, d un nombre de paramètres amètres plus important à prendre en considération que dans le cadre du confort intérieur, elle n en est pas moins essentielle. En effet, partout dans le monde, la tendance montre un nombre croissant de personnes vivant en ville. Selon l UNPF PFA [3], la population mondiale habitant en ville est passée au XX e siècle de 220 millions d habitants à 2,8 milliards d habitants. D ici 2030, ce chiffre devrait avoisiner les 5 milliards de personnes, soit 60% de la population mondiale. Cette urbanisation massive entraîne des conséquences importantes sur la modification locale du climat. L effet d îlot de chaleur urbain, par exemple, dû en grande partie à l absorptivité solaire importante des matériaux de construction n utilisés, conduit à des températures, en ville, pouvant être de 8 à 15 C plus élevées que dans les campagnes environnantes. Ceci entraîne non seulement des hausses importantes des consommations énergétiques (hausse des charges de climatisation pour les bâtiments par exemple), mais pose également des problèmes de santé publique, notamment auprès des populations à risques (personnes âgées ou fragiles, enfants etc.). Ces effets seront d autant plus importants dans quelques 3

6 décennies, car le climat planétaire tend à se réchauffer. Les climatologues estiment en effet que des étés caniculaires tels que celui qu a connu l Europe en 2003 (ayant entrainé la mort de personnes selon le Earth Policy Institute de Washington, soit environ deux fois plus que le séisme au Japon l an dernier), devraient être communs en L étude du confort thermique extérieur permet une meilleure compréhension, donc une anticipation de l effet d îlot de chaleur urbain, et permet de simuler des variantes visant à réduire les températures ressenties par les personnes dans ces zones. Elle s inscrit donc parfaitement dans le cadre de restructurations urbaines ou de constructions nouvelles, aussi bien dans des climats tempérés ou plus extrêmes. L objectif de mon projet de fin d études est, dans un premier temps, de réaliser un document récapitulatif des normes existant sur le confort intérieur, afin d en rassembler les principaux documents, et de faciliter l accès aux informations pour les projets futurs. Ces recherches ont évidemment constitué l occasion d approfondir ma connaissance des différents indices de température ou de confort existant dans la littérature, me servant de base de travail durant toute la durée du PFE. Par la suite, j ai été amené à travailler r principalement sur deux projets distincts. Le premier, situé à Tanger au Maroc, consiste en une réhabilitation du quartier du port. La construction de nombreux commerces ainsi qu une réhabilitation de l espace public y sont prévues, nécessitant donc une étude de confort extérieur. Pour traiter ce projet, un outil de calcul de la «température perçue» développé par TRANSSOLAR a été utilisé. Le second projet sur lequel j ai travaillé durant la majeure partie de ce PFE est un projet d éco-parc urbain situé dans la ville de Taichung à Taïwan. Le climat taïwanais est si chaud et humide en été que les gens ont tendance à rester cloîtrés chez eux, profitant de l air conditionné. L objectif de ce parc, mandaté par les autorités locales, est de redynamiser l espace public, en proposant un parc où les citoyens Taïwanais pourront expérimenter, au sens propre du terme, un confort thermique accru en comparaison au climat extérieur. Pour cela, une multitude de solutions différentes et d équipements techniques seront mis en place et, en jouant sur différents paramètres tels que les ombrages, la température de l air ou l humidité relative, améliorerontont les températures perçues par les gens dans le parc. Imaginé à la manière d une exposition architecturale de cinquante hectares, où les gens pourront se promener et ressentir au fil de leur escapade les effets des différents équipements, ce projet a nécessité des études approfondies. Il s agissait d évaluer non seulement l impact des technologies mises en place sur le confort thermique extérieur en terme de température perçue, mais également de s assurer que l énergie utilisée par les équipements «actifs» ne dépasse pas la production électrique photovoltaïque du site. Pour cela, l utilisation du logiciel de simulation dynamique TRNSYS s est avérée nécessaire ; l outil développé par TRANSSOLAR utilisant t un modèle physique trop simpliste pour les situations à modéliser. Enfin, il est important de noter que la recherche de performance énergétique n est pas le principal objectif de ce projet. En effet, il s agit de proposer aux visiteurs du parc un éventail de solutions diverses, aussi bien passives qu actives, qui influencent de manière positive leur ressenti thermique ainsi que la qualité de l air du parc. L unique contrainte écologique à respecter étant que l énergie utilisée sur site soit issue d une production d électricité renouvelable (photovoltaïque dans notre cas). Je traiterai dans un premier temps de la théorie relative au confort tant intérieur qu extérieur, en explicitant clairement les situations à traiter, ainsi que les règles et indices s appliquant pour chacune d entre elles. Par la suite, je présenterai les outils de simulation utilisés par TRANSSOLAR dans ses études du confort. Pour poursuivre, je traiterai terai largement des deux projets évoqués précédemment, en détaillant la logique de réflexion utilisée, les hypothèses et conditions initiales retenues pour les simulations, ainsi que l analyse des résultats. 4

7 1. Théorie du confort Projet de Fin d Études Le début de mon PFE été consacré à l élaboration d un document de synthèse d une trentaine de pages, en anglais, reprenant le contenu des principales normes traitant des problématiques de confort. Outre ce rapport, j ai produit trois documents sous forme de tableaux, qui explicitent le contenu et le domaine de validité de chaque norme, les index souvent rencontrés dans la littérature, et enfin un tableau récapitulatif permettant de savoir à quels indices se référer selon les conditions du problème. Ce travail m a servi de base de connaissances pour la suite du PFE. Dans cette première partie, je reprendrai donc les deux principaux points de ce rapport : confort intérieur dans un premier temps, et confort extérieur ensuite Le confort thermique intérieur Principaux indices de confort thermique intérieur Température de bulbe sec (ou d air) T a et de bulbe humide T h La température d air ou de bulbe sec T a [ C] est la température donnée par un thermomètre sec, placé dans un courant d'air humide et protégé des rayonnements parasites. La température de bulbe humide T h [ C] est la température enregistrée par un thermomètre où le bulbe est recouvert d une mèche imprégnée d eau. Température radiative moyenne T mrt La température radiative moyenne T mrt [K] est la température de surface uniforme d une enceinte noire imaginaire, dans laquelle un occupant échangerait la même quantité de chaleur radiative que dans l environnement non uniforme actuel. Elle est calculée comme suit : 4 T mrt = F p 1.T F p 2.T F p N.T N (1) F p N est le facteur d angle (ou de forme) entre la personne et la surface N T N est la température absolue [K] de la surface N Température opérative T op Définie comme la température [ C] d'une enceinte uniforme et isotherme noire dans laquelle une personne échangerait de la chaleur par radiation et par convection dans les mêmes proportions que dans l'environnement non uniforme donné; ou comme la moyenne entre la température radiante moyenne T mrt et la température de bulbe sec T a pondérée par leurs coefficients de convection respectifs h c (convection) et h r (rayonnement). L'humidité et la vitesse d'air sont négligées. Ceci est valable si T op est inférieure à 27 C (on ne considère pas les phénomènes d 'évapo-transpiration) transpiration). T = op h c T mrt + h r T a (2) h c + h h r L ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning ioning Engineers) suggère qu une moyenne arithmétique donne toutefois des résultats acceptables : T = op T mrt + T mrt a 2 (3) 5

8 Tempétature effective ET et ET* La température effective ET est représentée par un ensemble de lignes "d'iso-confort" sur le diagramme de l'air humide. ET est définie comme la température d'une atmosphère calme et saturée qui, en l'absence de rayonnement, produirait le même effet que l'atmosphère en question. ET combine donc l'effet fet des températures sèches et de l'humidité. Cet index est aujourd'hui obsolète, bien qu on le retrouve encore dans de nombreux documents. ET* est la température uniforme d'une enceinte rayonnante noire à une humidité relative de 50%, dans laquelle un occupant subirait le même confort, effort physiologique et échange de chaleur que dans l'environnement réel avec le même mouvement d'air. WBGT (Wet Bulb Globe Temperature) WBGT est une température [ C] qui traduit l influence des charges thermiques pesant sur un être humain durant son activité. Elle dépend de la température de bulbe humide T h et de la température opérative T op s il n y a pas d influence du rayonnement solaire sur l environnement. Si les rayonnements solaires frappent la surface, WBGT dépend de ces deux paramètres ainsi que de la température de l air T a. Cet indice permet de savoir si un environnement chaud est confortable ou non pour les personnes qui travaillent, et se calcule comme suit : Sans rayonnement solaire : WBGT = 0,7 T h + 0,3 T op (4) En présence de rayonnement solaire : WBGT = 0,7 T h + 0,2 T op + 0,1 T a (5) Isolation thermique par les habits (clo) L'habillement constitue une résistance thermique entre la surface de la peau et l'environnement. On peut donc, à l'aide de mannequins chauffants, mesurer cette résistance thermique et l'exprimer en m² ².K.W -1. Il est aussi usuel de l'exprimer en clo (pour clothing). 1 clo correspond à une résistance thermique de 0,155 m².k.w -1. C'est la résistance thermique du complet-veston. Activité métabolique (met) Le taux de métabolisme ou l'activité peut être rapporté à un taux conventionnel, par exemple celui d'un individu assis au repos. L'unité est alors le met,, qui correspond à une puissance de 58,15 W dissipée par mètre carré de surface du corps. Il est considéré qu un un homme de 1,75 m et 80 kilos présente une surface corporelle de 1,8 m² Définition du confort thermique intérieur Afin d assurer aux occupants d un bâtiment un climat agréable et peu dépendant des conditions météorologiques extérieures, les conditions intérieures doivent peu varier, pour ne pas perturber l usager. Cette préoccupation est primordiale, et doit être traitée tée avant même les problématiques liées à la consommation d énergie : un bâtiment est conçu avant tout pour répondre à un besoin de ses occupants, et non pour consommer peu. En revanche, comme le précisent Nicolas Morel et Edgard Gnansounou [4] : «par une planification intelligente et intégrée, il est parfaitement possible d'assurer une excellente qualité d'environnement intérieur avec une très faible consommation d'énergie». Comment définir, du point de vue thermique, cette qualité d environnement intérieur? Le confort thermique intérieur est une sensation physiologique influencée par les paramètres suivants : 6

9 Activité Habillement Température de l air et des surfaces environnantes Vitesses relatives de l air et degré de turbulence Pression de vapeur d eau ou humidité relative La quantité de chaleur dégagée par le métabolisme est plus ou moins importante selon l'activité. Elle est éliminée, directement ou au travers des habits, par convection et conduction vers l'air ambiant, par rayonnement vers les surfaces voisines, et par évapotranspiration dans l'air. Il est dès lors logiquement erroné de vouloir satisfaire des critères de confort par la simple régulation de la température de l'air intérieur des bâtiments Modèle de Fanger (pour les bâtiments ventilés mécaniquement) Une personne ne ressentant aucune gêne ni stress thermique liés aux conditions dans lesquelles elle évolue, est généralement dans un état proche de l équilibre thermique (échanges par conduction, convection, rayonnement et évapotranspiration se répartissant approximativement en parts égales). Paradoxalement, c est donc l absence d inconfort qui caractérise le confort thermique d une personne. C est sur ce paradoxe qu est basé le modèle du confort de P.O. Fanger. Ce scientifique danois a mis au point dans les années 1960 un modèle éponyme, basé sur deux indices toujours utilisés de nos jours pour «quantifier» le confort des usagers d un bâtiment : Le vote moyen prévisible, appelé PMV (Predicted Mean Vote), qui est l'appréciation moyenne d'une population dans un environnement donné, sur une échelle de -3 à + 3. Le confort optimal correspond à un PMV nul. Le pourcentage prévisible d'insatisfaits, appelé PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied) qui exprime la part des sujets insatisfaits dans un environnement donné. N.B. Ce modèle a originellement été élaboré pour des bâtiments ventilés mécaniquement.. Comme nous le verrons par la suite, cela implique l utilisation d indices différents dans le cas de bâtiments à ventilation naturelle. Ce modèle est basé sur un bilan thermique du corps humain. Bilan thermique du corps humain Température de l'air Température radiante moyenne Température des habits Pression partielle de vapeur d'eau Vitesse relative de l'air Activité métabolique du sujet Travail mécanique fourni Surface de peau Activité métabolique/m² de peau Travail spécifique/m² de peau Résistance thermique des habits Habillement Fraction de la surface habillée Température de surface de la peau Flux de chaleur net de la surface de la peau vers l environnement Coefficient de convection entre la peau et l air Pression de vapeur saturante de la peau Pression de vapeur saturante à la température de rosée ambiante T a T mrt T cl p v M W A m = M/A w = W/A R I cl = R/0,155 f T sk H sk h P ssk P sdp [K] [K] [K] [Pa] [m.s - 1] [W] [W] [m²] [W.m - ²] [W.m - ²] [m².k.w -1 [K] [W.m - ²] [W.m - ².K - [Pa] [Pa] 1 ] -1 ] 7

10 Coefficient de transfert thermique par évaporation wh e Chaleur respirée par évaporation E res Chaleur respirée par convection C res Stockage de chaleur S Production interne de chaleur P [kg.m². W -1.s - ²] [W.m - ²] [W.m - ²] [W.m - ²] [W.m - ²] Le modèle de transfert thermique le plus simple de régulation de la température du corps humain considère la température du corps comme une limite entre l homme et son environnement. La chaleur métabolique est transportée par conduction dans le sang, et le débit de sang de l intérieur du corps (à température uniforme) vers la surface de la peau (T sk ). Le flux de chaleur de la surface de la peau vers l environnement (H sk ) est divisé en une partie sensible et une partie latente (E sk ) : H sk = h (T sk T op ) + wh e(p ssk P sdp ) (6) chaleur sensible chaleur latente Avec, pour des charges thermiques positives : wh e(p ssk P sdp) = E sk = E diff + E conf + E rsw (7) Où E E E E diff E conf E rsw diffusion de chaleur évaporative par la peau [W.m - ²] part d évapo-transpiration qui apparaît durant une phase de confort évaluée par Fanger comme suit : E conf = 0,42(M-W-58,15) [W.m - ²] différence de chaleur évaporative nécessaire à la régulation de la température du corps humain par la transpiration [W.m - ²] Le flux de chaleur de l intérieur du corps vers la surface de la peau est : H sk sk = M W (E res + Cres) (±S) (8) À l équilibre thermique, c est à dire lorsque la quantité d énergie produite est égale à celle perdue dans l atmosphère, nous obtenons : M W (E res + C res ) (±S) = h (T sk T op ) + E sk (9) Équation du confort (ou de Fanger) Selon Fanger [5], il y a des interrelations linéaires entre la température moyenne de la peau ou la sécrétion de sueur et la production interne de chaleur pour établir les conditions de confort. L utilisation de ces deux relations pour calculer les termes individuels du bilan thermique résulte dans l équation du confort. En comparant le vote d environ 1300 personnes mises dans des conditions de confort diverses avec leur bilan thermique, il a été possible d établir une relation entre le bilan thermique calculatoire et la perception subjective sur une échelle psychologique. C est l équation prédisant le PMV. Cette dernière est fonction de différents paramètres : PMV = f(p,i cl ;T a,t mrt,p,v) (10) En terme de charge thermique, l équation est de la forme : PMV = α*(±l) (11) α = (0,303 exp (-0,036 m) + 0,028) représente un facteur de sensibilité qui décroît rapidement de 0,06 06 pendant le repos à un niveau relativement constant de 0,0303 lorsque le métabolisme de repos double. 8

11 L représente la différence entre la production interne de chaleur et les pertes thermiques vers l environnement (comptée positivement en environnement chaud ou négativement en environnement froid). L'équation de Fanger, telle que présentée dans la norme internationale EN ISO 7730, est donnée ci-dessous. Dans cette équation, toutes les variables sont exprimées en unités SI : PMV = α [m-w E diff E res E conf C res - F] (12) m : Activité métabolique par m² de peau m = M/A [W.m - ²] w : Travail spécifique par m² de peau w = W/A [W.m - ²] E diff = 0,00305 (5733-6,99 (m-w) - p) [W.m - ²] E res =1, m ( p) [W.m - ²] E conf =0,42 (m-w - 58,15) [W.m - ²] C res = 0,0014 m (307 - T a ) [W.m - ²] F correspond aux échanges radiatifs et convectifs [W.m - ²] et est donnée par: F = 3, f(t cl - T mrt 4 ) + f h (T cl - T a ) (13) Pour le coefficient h de transfert thermique des habits [W.m - ².K -1 ], la valeur est définie par l une des expressions ci-dessous qui donne la valeur la plus grande: h = 2,38 (T cl -T a ) 1/4 ou h = 12,06 v (14) La température (absolue) des habits T cl est donnée en résolvant l'équation implicite: T cl = 308,9 0, (m - w) - R F (15) La fraction de surface habillée f peut être estimée par : f = 1,00 + 1,290 R si R < 0, m² K/W f = 1,05 + 0,645 R si R > 0, m² K/W (16) (17) N.B. L'équation de Fanger est utilisable dans le domaine de variation suivant : métabolisme de 46 à 230 W.m -2 (0.8 à 4 met) habillement de 0 à 2 clo pour résistance thermique des habits de 0 à m².k.w -1 température de l'air de 10 à 30 C température radiante moyenne de 10 à 40 C vitesse relative de l'air inférieure à 1 m.s -1 pression partielle de vapeur d'eau de 0 à 2700 Pa. PMV (vote moyen prévisible) L échelle d évaluation du confort selon la méthode PMV est la suivante : +3 trop chaud +2 chaud +1 légèrement chaud 0 neutre -1 légèrement frais -2 frais -3 froid 9

12 Il existe trois moyens d obtenir les PMV : Calcul à partir d un programme issu de la norme EN ISO 7730 Annexe E de la norme EN ISO 7730, qui donne les valeurs de PMV selon les valeurs de clo, de l activité, de la température opérative et différentes vitesses d air Mesure directe à partir d un appareil de mesure (température équivalente et température opérative) Il est intéressant de noter que les valeurs de PMV sont basées sur des températures d air et des températures opératives. Selon Gagge et al. [6], elles ont toutefois tendance à exagérer le ressenti pour de faibles humidités. En climats humides (pression de vapeur de l air supérieure à 3 kpa), les PMV sous-estiment la température. L utilisation de la température effective dans le calcul des PMV semble donner une meilleure e réponse aux climats chauds et humides. PPD (pourcentage de personnes insatisfaites) Le PPD est lié aux PMV par la relation suivante : PPD = exp ( PMV PMV 2 ) (18) PPD (%) PMW Figure 1 : Pourcentage de personnes insatisfaites en fonction du vote moyen prévisible En raison de différences physiologiques, il est impossible de créer un climat où la valeur de PPD est de 0% (100% de personnes satisfaites). Il est en revanche possible de créer un climat où une vaste majorité de personnes se sentira dans un environnement confortable. Utilisation du modèle de Fanger dans les normes Bien que présentant certaines maigres différences, il est tout d abord intéressant de noter que la norme européenne EN ISO 7730 ainsi que la norme américaine ASHRAE n 55 sont, du point de vue du contenu, relativement proches en ce qui concerne le domaine du confort thermique intérieur dans les bâtiments ventilés mécaniquement. Il serait long et relativement redondant par rapport aux normes de revenir intégralement sur les différents cas prévus. Toutefois, il est à mon sens intéressant de noter qu elles les comprennent toutes deux quatre catégories de confort basées sur les PMV et PPD. Ainsi, chacune correspond à une gamme de PMV et de PPD donnée (cf. Tableau 1). Par ailleurs, les normes définissent quatre facteurs d inconfort supplémentaires à prendre en compte pour éviter un trop grand nombre de personnes insatisfaites par les conditions climatiques intérieures. Ces facteurs ne sont pas inclus dans l équation de Fanger : 10

13 L indice DR ou Draught rating, permettant de caractériser le pourcentage de personnes gênées par un courant d air La différence de température d air verticale Les planchers chauds ou froids Le rayonnement asymétrique Tableau 1 - Quatre catégories pour le climat environnant et critères de conception pour chacune Catégorie PPD (%) L indice DR Etat thermique du corps Vote moyen prévisible (PMV) < 6 < 10 < 15 > 15-0,2 < PMV < 0,2-0,5 < PMV < 0,5-0,7 < PMV < 0,7-0,7 > PMV ou 0,7 < PMV < 10 < 20 < 30 > 30 Il correspond au pourcentage de personnes gênées par un courant d air et se calcule de la manière suivante : DR = (34-T air )(v air -0,05) 0,62 (0,37.v air.t u +3,14) (19) Avec : T air la température d air de 20 à 26 C v air la vitesse de l air en m/s (<0,5 m.s -1 ) t u le degré de turbulence locale en % (de 10 à 60%). Si ce degré n est pas connu, une valeur de 40% peut être utilisée Différence de température d air verticale DR (%) Manque de confort local Pourcentage d'insatisfaits PD (%) Différence de plancher chaud ou Rayonnement température froid asymétrique verticale < 3 < 5 < 10 > 10 < 10 < 10 < 15 > 15 < 5 < 5 < 10 > 10 Un gradient de température important entre la tête et les pieds peut conduire à de l inconfort. Le pourcentage de personnes insatisfaites par un gradient de température d air vertical est donné ainsi ( T a,v est la différence de température d air verticale) : PD = 100 / (1+exp (5,76-0,856. T a,v ) (20) Planchers chauds ou froids Si un plancher est trop chaud ou trop froid, les personnes peuvent ressentir de l inconfort au niveau de leurs pieds. Le pourcentage de personnes insatisfaites par ce phénomène est donné comme suit (T f étant la température du plancher) : PD = exp (-1, ,118.T f - 0,0025.T f ²) (21) Rayonnement asymétrique Quatre cas sont différenciés pour évaluer le pourcentage de personnes insatisfaites par un rayonnement de température asymétrique, c'est-à-dire une surface plus chaude ou plus froide que les autres surfaces environnantes : Tableau 2- Critères à respecter dans le cas de rayonnements asymétriques Plafond chaud Plafond froid Mur froid Mur chaud Pourcentage de personnes (1+exp(2,84-0,174. Tp)-5,5 (1+exp exp(9,93-0,50. Tp) (1+exp(6,61 (6,61-0,345. Tp) (1+exp(3,72-0,052. insatisfaites (PD) 0,052. Tp)-3,5 11

14 Différence de température maximale entre la surface et l ambiance T p [K] T p < 23 K Projet de Fin d Études T p < 15 K T p < 15 K T p < 35 K Pour chaque catégorie (la catégorie 1 étant la plus restrictive), des valeurs limites de l indice PD sont donc données pour chacun de ces paramètres. Les courbes correspondantes à ces équations existent dans les normes pour chacun de ces critères, représentant le pourcentage de personnes insatisfaites en fonction du paramètre. Tout dimensionnement devrait donc tenir compte, selon le degré d exigence retenu, de ces valeurs limites pour garantir un confort maximal aux occupants. Température opérative optimale Selon le degré d activité d une personne ainsi que son degré d habillement, des gammes de températures opératives ont été définies dans les normes, comme le montre ce graphique : Figure 2 : Température opérative idéale en fonction de l'habillement et du métabolisme [EN ISO 7730]. Les valeurs notées dans les ovales, correspondant chacune à une zone du graphique (blanc ou hachuré), représentent l'écart de température (par rapport à la température opérative idéale) pour laquelle le PMV vaut ±0.5. Par exemple pour 1 clo et 1 met, la température opérative idéale est d'environ 23 C, et la zone usuellement considérée comme confortable (PMV ±0.5) correspond à l'intervalle [21 C;25 C] Limites du modèle de Fanger Comme nous l avons précisé précédemment, ce modèle a été originellement développé pour des bâtiments où l air intérieur est conditionné de manière précise. Il n est par conséquent uniquement valable dans le cas d un régime permanent. Les fluctuations acceptables selon la norme EN ISO 7730 sont les suivantes : l amplitude de régulation de la température opérative (T op ) doit être inférieure à 1 C pour les cycles de variations inférieurs à 15 minutes utes. Par exemple pour une consigne de T op de 20 C : 19,5 C< T op < 20,5 C 12

15 la limite sur les fluctuations de T inférieure à 2 K.h -1 op pour des cycles supérieurs à 15 minutes doit être Dans le cas de bâtiments ventilés naturellement, le cadre du modèle n est donc plus valable. Les occupants ayant une influence directe sur l environnement alentour, il n est en effet pas rare, si une personne ouvre une fenêtre par exemple, d observer des fluctuations plus importantes que celles décrites plus haut. Comment traiter le cas de ce type de bâtiments? En 1995, le projet ASHRAE RP-884 collecta de nombreuses données de projets dans le monde entier afin de constituer une base de séries de données issues de 160 pays différents [7]. Ces données incluent des questionnaires de réponses thermiques, d habillement, d activité métabolique ainsi que des mesures du climat tant intérieur qu extérieur. Les résultats relatifs aux bâtiments ventilés, climatisés ou chauffés mécaniquement (où les gens ne peuvent pas contrôler la température de leur environnement) ont été séparés de ceux pour les bâtiments ventilés naturellement, dans lesquels les occupants peuvent ouvrir les fenêtres. Les résultats de cette étude ont permis d observer deux phénomènes. Premièrement, on observe un gradient plus important dans les réponses pour les bâtiments ventilés naturellement en comparaison aux bâtiments ventilés mécaniquement. Ceci suggère que les occupants de bâtiments ventilés mécaniquement s adaptent t plus finement aux conditions constantes assurées par les équipements, alors que les occupants de bâtiments ventilés naturellement préfèrent une gamme de températures de confort plus large, qui reflète plus les tendances des conditions climatiques extérieures ures. Deuxièmement, une comparaison des courbes prévues et observées illustre le rôle de l adaptation dans ces deux types de bâtiments. Dans le cas des bâtiments ventilés mécaniquement, le modèle des PMV est remarquablement respecté. Nous pouvons en effet constater que les deux droites coïncident quasi-parfaitement (figure 3). En revanche, dans le cas des bâtiments ventilés naturellement, nous remarquons une différence notable entre les prévisions, en noir, et les observations réalisées à partir des enquêtes es dans les bâtiments en bleu (figure 4). Les scientifiques concluent ainsi que, dans le premier cas, l ajustement des personnes aux conditions environnementales concernant l habillement et les vitesses d air explique parfaitement la relation entre confort intérieur et variations climatiques extérieures. Ceci n est cependant pas vérifié dans le cadre des bâtiments naturellement ventilés, ce qui implique que d autres facteurs expliquent cette relation. Les auteurs suggèrent que ces facteurs sont sans doute d ordre psychologique. Selon eux, les températures de confort intérieures dans les bâtiments naturellement ventilés sont effectivement «fortement influencées par des attentes thermiques variables, résultant d une combinaison de niveaux de contrôles perçus plus élevés, et d une plus grande diversité d expériences thermiques dans le bâtiment». 13

16 Température opérative Top [ C] Observé : basé sur l enquête Prédit : basé sur le modèle PMV réalisé en laboratoire Indice de température extérieur ET* [ C] Figure 3 : Températures opératives intérieures observées s et prédites issues de la base de données RP-884 pour des bâtiments ventilés mécaniquement Température opérative Top [ C] Observé : basé sur l enquête Prédit : basé sur le modèle PMV réalisé en laboratoire Indice de température extérieur ET* [ C] Figure 4 : Températures opératives intérieures observées s et prédites issues de la base de données RP-884 pour des bâtiments ventilés naturellement Le standard de confort adaptatif (pour les bâtiments ventilés naturellement) Ces recherches ont conduit à une proposition des chercheurs d inclure un standard de confort adaptatif (ACS) qui servirait d alternative au modèle PMV défini dans la norme EN ISO 7730 ou dans la norme américaine ASHRAE 55 pour les bâtiments ventilés naturellement. Les conditions climatiques extérieures pour chaque bâtiment ont été caractérisées en terme de température de bulbe sec (T a,out ) au lieu de ET*. La température de confort optimale T comf était alors similaire ire à la régression présentée dans la figure 4, et recalculée sur la base de T a,out comme suit: T comf comf = 0,31* T a,out + 17,8 [ C] (22) 14

17 Température opérative T op [ C 90% d acceptabilité 80% d acceptabilité Température de bulbe sec extérieure (T a,out ) [ C] Figure 5 : Gamme de températures opératives intérieures acceptables selon la norme ASHRAE 55 pour les bâtiments ventilés naturellement 1.2. Le confort thermique extérieur Principaux indices de confort thermique extérieur Température perçue PT La température perçue PT (perceived temperature) est la température de l'air d'un environnement de référence dans lequel la perception de chaleur ou de fraîcheur (valeurs PMV) serait la même que dans les conditions actuelles. L'environnement de référence est défini par: Température radiante moyenne égale à la température de l'air Vitesse d'air réduite (v = 0,1 m.s -1 ) Emissivité de la peau ou des vêtements : 0,97 Coefficient d'absorption solaire du corps humain : 0,7 Personne standard : 172,05 W (ce qui correspond à une marche au niveau de la mer à 4 km.h -1 ), soit 2,3 met Adaptation des vêtements entre l'hiver et l'été : entre 0,5 et 1,75 clo (l évaluation prend en compte les conditions extérieures) L avantage de PT réside dans l utilisation possible de la valeur PMV* pour les climats chauds et humides, ce qui permet d obtenir une réponse plus efficace aux changements d humidité, ainsi qu aux questions de perméabilité des habits portés. Selon Gagge et al. [6], la valeur PMV* est identique à la valeur PMV, à cela près que la température opérative T op est remplacée par ET* dans l équation (7) : H sk = h (T sk T op ) + wh e (P ssk P sdp) ) devient : H sk = h (T sk ET*) + wh e (P ss k 0.5 P set* ) (23) où P set* est la pression de vapeur d eau saturante à la température ET* ET* est donc la solution de l équation suivante : (T op ET*) + wh e (P ss k 0.5 P set* ) = 0 (24) 15

18 ET* permet de mieux prendre en compte l enthalpie de l environnement humide entourant la peau que T op. Si la température radiative moyenne est connue, la méthode de calcul de PT inclut les étapes suivantes, selon la VDI 3787 [8] : 1. Détermination de la valeur d isolation des vêtements (clo) et, suivant cette dernière, de la valeur de PMV par itération de l équation de confort de Fanger 2. Sous des conditions chaudes (valeur de 0,5 clo requise), détermination de la correction pour l humidité de la valeur de PMV sur la base de la température effective ET* selon Gagge et al [6]. La valeur de l efficacité de la perméabilité à la vapeur d eau des vêtements est de 0,42. Sous des conditions froides (valeur de 1,75 clo requise), détermination d une correction dépendant de la température de la peau. 3. Analyse de la régression de température perçue, en utilisant les variables indépendantes de PMV (ou PMV* selon le cas) et de clo. Le résultat du calcul donne un écart type d environ 0,5 K. Les observations synoptiques sur des sites allemands ont conduit aux expressions de PT suivantes : Si PMV < -0,11 alors PT = 5, ,6784*PMV Si PMV > 0,01 alors PT = 16, ,163*PMV Si -0,11<PMV<0,01 alors PT = 21,258-9,558*clo (25) (26) (27) Tableau 3- Température perçue «PT» et stress thermique PMV Température perçue Charge Sensation thermique PT in C thermophysiologique PMV 3,5 PT +38 trop chaud stress thermique extrême 2,5 PMV 3,5 1,5 PMV 2,5 0,5 PMV 1,5-0,5 PMV 0,5-1,5 PMV -0,5-2,5 PMV -1,5-3,5 PMV -2,5 +32 PT < PT < PT < < PT < < PT 0 26 < PT < PT 26 très chaud chaud légèrement chaud confortable légèrement frais froid modéré froid grand stress thermique stress thermique modéré stress thermique léger confort léger stress dû au froid stress dû au froid stress dû au froid important PMV -3,5 PT 39 très froid stress dû au froid extrême L utilisation de PT en tant qu indice de confort extérieur semble appropriée pour des humains ordinaires. L indice est en effet valable dans tous les types de climat, y compris les environnements chauds et humides. En revanche, PT n est pas adaptée aux athlètes ni aux personnes travaillant dans des conditions physiques particulièrement exigeantes. L augmentation des valeurs de métabolisme conduit en effet à des résultats incohérents. De plus, cet indice ne tient pas compte d une exposition prolongée. Ainsi, une vitesse de vent accrue pouvant avoir un impact positif sur les températures perçues dans un premier temps, peut en réalité s avérer désagréable après seulement quelques minutes pour une personne, ce que PT ne prend pas en compte (des conditions de vent sont considérées comme confortables si la vitesse de vent dépasse se 5 m/s durant moins de 10% du temps). Température physiologique équivalente PET La température physiologique équivalente PET (Physiological Equivalent Temperature) est basée sur un modèle de transfert thermique du corps humain détaillant les procédés physiologiques en détail. PET donne la température de l air d un environnement de référence dans lequel les flux de chaleur seraient les mêmes que dans l environnement actuel. L environnement de référence est défini par : Température radiante moyenne égale à la température de l'air Vitesse d air faible (aucune valeur n est précisée dans les textes) Pression de vapeur d eau égale à 12 hpa 16

19 Humidité relative de 50% Température d air de 20 C Travail de bureau : 80 W, ce qui correspond à 1,5 met Homme de 35 ans, 1m75 et 75kg Valeur de l habillement fixe : 0,9 clo Nous pouvons constater que PET et PT diffèrent dans leur estimation au niveau de l environnement de référence. L échelle d évaluation du confort selon PET est en effet basée sur un travail de bureau. Les températures de confort sont donc légèrement plus élevées pour PET, puisque les personnes ont une activité plus modérée dans l environnement de référence (80W pour PET contre 172W pour PT). Selon Staiger et al. [9] : «les indices basés sur des modèles de transferts thermiques du corps humains PT et PET conduisent à des valeurs en [ C] presque identiques dans des conditions météorologiques identiques. Ceci est dû au fait qu'elles sont standardisées dans des conditions environnementales quasiidentiques. Les principales différences sont toutefois visibles dans le ressenti physiologique.». L inconvénient de PET selon Ch. Koppe et al. [10], réside dans le fait que cet indice est inapproprié pour évaluer le stress thermique en raison d une sensibilité à l humidité jugée insuffisante. TRANSSOLAR a donc fait le choix de ne pas employer cet indice pour ses études de confort extérieur. Toutefois, certaines études scientifiques à ce sujet l emploient, utilisant l argument que, pour des personnes acclimatées à des humidités relatives importantes, il n est pas très significatif de sous-estimer légèrement l influence de l humidité (c est le cas notamment des travaux du Pr. Tzu-Ping Lin, auteur d enquêtes sur le confort extérieur à Taiwan [11]). Tableau 4 - Comparaison entre PT et PET PMV Sensation thermique Charge thermophysiologique Température Équivalente Physiologique PET en C Température perçue PT in C PMV 3,5 2,5 PMV 3,5 1,5 PMV 2,5 0,5 PMV 1,5-0,5 PMV 0,5-1,5 PMV -0,5-2,5 PMV -1,5-3,5 PMV -2,5 PMV -3,5 trop chaud très chaud chaud légèrement chaud confortable légèrement frais froid modéré froid modéré très froid stress thermique extrême grand stress thermique stress thermique modéré PET PET < PET < +32 stress thermique léger +24 PET < +28 confort 16 < PET < +24 léger stress dû au froid 12 < PET 16 stress dû au froid 8 < PET 12 stress dû au froid important 4 < PET 8 stress dû au froid extrême PET 4 PT PT < PT < PT < < PT < < PT 0 26 < PT < PT 26 PT 39 Index Thermique Universel du Climat (UTCI) Aucune des quelques 100 procédures d'évaluation disponibles en matière de confort extérieur ne peut être considérée comme satisfaisante du point de vue thermique, physiologique ou de la théorie des échanges de chaleur. La grande majorité d'entre elles montre d ailleurs des lacunes inacceptables. Cela est évident pour les indices dits simples (la plupart du temps à deux paramètres), mais c est également vrai pour les modèles de transfert de chaleur du corps humain qui ont défini «l'état de l'art» des trente ou quarante dernières années. Aucun de ces indices ne respecte l'exigence essentielle selon laquelle pour chaque valeur d un indice, il ne doit y avoir qu un unique effet thermo-physiologique associé,, quelle que soit la combinaison des valeurs d'entrée météorologiques. A cause de cela, les procédures appliquées dans les résultats des études biométéorologiques n'ont jamais été comparables, ce qui entrave à la fois la science et ses applications. Voici quelques d'années, le professeur Peter Höppe, auteur du modèle PET, a soulevé cette problématique. Une commission a été mise en place afin d'intégrer de nouvelles connaissances et les principales préoccupations scientifiques dans un indice thermique universel du climat (UTCI), pour les évaluations de l'environnement thermique extérieur [12]. 17

20 L'objectif était d obtenir une procédure d'évaluation internationalement reconnue sur la base des progrès scientifiques en matière de modélisation de la réponse humaine thermo- physiologique au cours des quatre dernières décennies. Le terme e «universel» indique la pertinence de UTCI pour toutes les évaluations des conditions extérieures thermiques dans des domaines tels que les prévisions quotidiennes, les avertissements de conditions météorologiques extrêmes, la cartographie bioclimatique, la planification urbaine et régionale, etc. Voici les principales propriétés de cet index, disponible depuis deux ans environ : Peut-être appliqué à n'importe quelle condition de transfert de chaleur Valide pour tout type de climats, saisons et échelles Échelle de température Indépendant nt des caractéristiques individuelles Prédiction des effets thermiques sur l'ensemble du corps Basé sur un modèle de transfert thermique du corps humain avancé de 340 nœuds (modèle Fiala) Paramètres d'entrée pour l'activité métabolique : température de l air, vitesse du vent, pression de vapeur, température radiante moyenne Procédure de calcul simple et rapide Comme PT et PET, cet indice est défini en se référant à un environnement de référence, dont les propriétés sont les suivantes : Température radiante moyenne égale à la température de l'air Vitesse d air à 10m de hauteur (hauteur des prises de données météorologiques) égale à 0,5 m.s -1 Humidité relative de 50% si T a < 29 C Pression de vapeur d eau de 2 kpa si T a > 29 C Personne standard : 172,05 W (ce qui correspond à une marche au niveau de la mer à 4 km.h -1 ), soit 2,3 met Valeur de clo allant de 0,4 à 3,0 clo (dépendant de la température de manière non linéaire) Tableau 5 Echelle de température selon la charge thermophysiologique pour UTCI UTCI ( C) > < UTCI < < UTCI < < UTCI < 32 9 < UTCI < 26 0 < UTCI < 9-13 < UTCI < 0-13 < UTCI < < UTCI < -40 UTCI < -40 Charge thermophysiologique stress thermique extrême grand stress thermique stress thermique stress thermique modéré aucun stress thermique léger stress dû au froid stress dû au froid modéré stress dû au froid important stress dû au froid très important stress dû au froid extrême Bien qu étant finalisé et disponible, cet indice n est pas encore inscrit dans les normes. C est pourquoi, bien que des études aient déjà été menées à TRANSSOLAR le concernant, cet indice n est, à l heure actuelle, pas encore utilisé pour des études de confort extérieur par le bureau. 18

21 Définition du confort thermique extérieur La différence entre évaluation du confort extérieur ou intérieur réside dans la prise en compte de paramètres différents. En effet, pour le confort intérieur, l indice de température utilisé est la température opérative T op, qui ne prend en compte que la température radiante moyenne des parois, ainsi que la température d air.. Les indices de température évoqués plus haut (PT, PET ou UTCI) prennent en compte des paramètres supplémentaires comme le montre la figure 6, à savoir : le rayonnement solaire direct ou diffus pour le calcul de la température radiative moyenne des parois l activité (généralement considérée comme constante et équivalente à une activité de bureau dans les études de confort intérieur) les vitesses d air (étant sensées être quasiment nulles dans les bâtiments, leur influence n est généralement pas étudiée) les variations d humidité (ces valeurs varient peu dans les bâtiments, où une plage située entre 30 et 65% d humidité relative est usuellement considérée comme acceptable) l habillement (clo) Rayonnement solaire direct Rayonnement solaire diffus Température de l air Humidité de l air Température de l air Radiations infrarouges des parois Vent Radiations infrarouges Figure 6 : Différences entre confort intérieur et confort extérieur Les intérêts que présentent les études de confort extérieur pour une maîtrise d ouvrage sont multiples. Ainsi, la possibilité de quantifier la sensation de stress thermique pour une personne sur une année entière (à travers l indice PT) permet dans un premier temps d évaluer la situation de base d un projet, afin de savoir si des mesures sont nécessaires pour y améliorer le confort. Une fois ce diagnostic établi, il est éventuellement possible de mettre en place des stratégies afin, de réduire ou d augmenter, le cas échéant, les températures perçues du site sur une période donnée (sur une année complète, ou en différenciant hiver et été par exemple). Les mesures retenues influent directement sur les différents paramètres pris en compte dans l évaluation des températures perçues (un ombrage réduit par exemple la quantité de rayonnement solaire, et donc la température radiative moyenne perçue par la personne). En jouant sur ces paramètres, il est donc possible d améliorer le confort global des occupants d un espace extérieur. Ceci est particulièrement adapté à la planification urbaine, où les résultats donnés par une étude de températures perçues permettent de débattre de la pertinence de certains choix architecturaux, et contribuent à l amélioration des caractéristiques d un site. Il est par ailleurs facile d envisager des retombées économiques liées à ces choix, notamment dans le cadre de lieux publics dédiés à l accueil de commerces. Typiquement, une personne visitant une ville du Moyen-Orient préférera boire un thé dans un espace ombragé et protégé des vents désertiques chauds, où la température perçue sera bien plus agréable qu en plein soleil, avec un vent chaud balayant la place 19

22 1.3. Tableau récapitulatif de l utilisation des indices climatiques selon la situation étudiée Le tableau à double entrée ci-dessoul un relatif au contenu des normes, le second reprenant les différents indices climatiques déjà explicités dans le rapport. Il reprend également certaines valeurs limites données dans différentes normes. explicite, selon le cas d une étude de confort intérieur ou extérieur, quel indice utiliser selon le type d environnement. En annexe, vous trouverez deux autres tableaux récapitulatifs, Index Extérieurs Froid Température perçue PT calculée à partir des valeurs PMV (VDI 3787 Part 1) (entre 0,5 et 1,75 clo) Universal Thermal Climate Index UTCI (pas encore inscrit dans les normes, mais considéré comme "état de l'art" à ce jour, Température perçue valable dans tous les clmats) PT calculée a partir Température PET utilisable (non utilisée à TRANSSOLAR des valeurs PMV* i.e. Température perçue température opérative PMV PT in C Sensation thermique remplacée par température effective ET* PMV 3,5 2,5 PMV 3,5 1,5 PMV 2,5 PT PT < PT < +32 trop chaud très chaud chaud 0,5 PMV 1,5 +20 PT < +26 légèrement chaud (clo = 1,75) -0,5 PMV 0,5 0 < PT < +20 confortable -1,5 PMV -0,5 13 < PT 0 légèrement frais UTCI -2,5 PMV -1,5 26 < PT 13 froid modéré -3,5 PMV -2,5 39 < PT 26 froid PMV -3,5 PT 39 très froid Tableau 6 Utilisation des différents indices climatiques iques selon la situation étudiée Tempéré (non humide) Chaud Charge thermophysiologique stress thermique extrême grand stress thermique stress thermique modéré stress thermique léger confort léger stress dû au froid stress dû au froid stress dû au froid important stress dû au froid extrême UTCI ( C) Charge thermophysiologique > 46 stress thermique extrême 38 < UTCI < 46 grand stress thermique 32 < UTCI < 38 stress thermique 26 < UTCI < 32 stress thermique modéré 9 < UTCI < 26 aucun stress thermique 0 < UTCI < 9 léger stress dû au froid -13 < UTCI < 0 stress dû au froid modéré -13 < UTCI < -27 stress dû au froid important -27 < UTCI < -40 stress dû au froid très important UTCI < -40 stress dû au froid extrême Température perçue PT calculée a partir des valeurs PMV* i.e. température opérative remplacée par température effective ET* (clo = 0,5) UTCI PET non recommandée pour les calculs de stress lié à la chaleur Humide Température perçue PT calculée a partir des valeurs PMV* i.e. température opérative remplacée par température effective ET* UTCI PET non recommandée (manque de sensibilité à l'humidité), mais tout de même utilisé dans certaines enquêtes en climats humides (il est considéré que les personnes sont moins sensibles à l'humidité que d'autres paramètres) Environnements froids: Pour les bâtiments avec des systèmes de ventilation mécanique (régime permanent i.e. pas de fenêtre opérable) : utiliser PMV, PPD et les zones de tempéature opérative (ASHRAE 55) Pour les bâtiments à ventilation naturelle (i.e. avec fenêtres opérables) : utiliser le confort adaptatif (température opérative acceptable en fonction des températures extérieures moyennes) ) => Pas de PMV ni de PPD! (ASHRAE 55) Pour les environnements de travail chauds : utiliser les valeurs WBGT(Wet Bulb Globe Temperature i.e. température de bulbe humide) Valeurs limites (ISO 7243) : Pour les environnements humides: Valeurs limites fpour l'èté et l'hiver : (DIN 13779) Hiver : 6 g/kg (22 C 40% d'humidité relative) Été : 12 g/kg (22 C 60% d'humidité relative) Température opérative T op [ C 90% d acceptabilité 80% d acceptabilité Activité métabolique Valeurs limites pour WBGT Niveau d'activité en W/m² de pour une surface moyenne pour des personnes pour des personnes M<65 65 < M < < M < 200 M< < M < < M < < M < 260 M > < M < 468 M > 468 pas de mouvement d'air pas de mouvement d'air pas de mouvement d'air pas de mouvement d'air Remarque : Les valeurs ci-dessus sont basées sur l'hypothèse d'une température rectale d'une personne travaillant de 38 C Valeurs limites pour différents types et catégories de bâtiments (DIN 15251) Type de pièce Pièces où le critère d'humidité est déterminé en fonction de l'occupation. Les pièces spécifiques (galeries d'art, églises etc.) peuvent exiger d'autres valeurs Catégorie Valeurs de dimensionnement d'humidité relative pour la deshumidification (%) > 70 Valeurs de dimensionnement d'humidité relative pour l'humidification (%) < 20 Index Intérieurs utiliser les valeurs de clo IREQ (Required Clothing Insulation) (cf. Norme ISO/TR 11079) utiliser les critères de conception (resp. DIN EN ISO 7730 and DIN EN 15251) Température opérative Vitesse d'air maximale Activité C (m/s) (a) Type de pièce (Métabolisme Catégorie Été (0,5 clo) Hiver (1 clo) Été (0,5 clo) Hiver (1 clo) en W/m²) (période de (période de (période de (période de rafraîchissement) chauffage) rafraîchissement) chauffage) bureau idividuel, open space, salle de 1 24,5 ± 1,0 22,0 ± 1,0 0,12 0,10 conférence, auditorium, ,5 ± 1,5 22,0 ± 2,0 0,19 0,16 cafétéria, restaurant, salle de classe 3 24,5 ± 2,5 22,0 ± 3,0 0,24 0, ,5 ± 1,0 20,0 ± 1,0 0,11 0,10 (b) école maternelle ,5 ± 2,0 20,0 ± 2,5 0,18 0,15 (b) 3 23,5 ± 2,5 22,0 ± 3,5 0,23 0,19 (b) 1 23,0 ± 1,0 19,0 ± 1,5 0,16 0,13 (b) magasin ,0 ± 2,0 19,0 ± 3,0 0,2 0,15 (b) 3 23,0 ± 3,0 19,0 ± 4,0 0,23 0,18 (b) (a) degré de turbulence : 40%, Humidité Relative = 40% en hiver et 60% en été La vitesse d'air maximale a été calculée avec la température minimale du domaine (b) pour une valeur limite de 20 C Type de pièce habitat domestique : pièces à vivre (chambre, salon, cuisine etc.) habitat domestique : autres pièces (couloir etc etc.) bureau individuel debout ~ 1,2 met open space assis ~ 1,2 met salle de conférence assis ~ 1,2 met audience room assis ~ 1,2 met caféteria/restaurant assis ~ 1,2 met salle de classe assis ~ 1,2 met école maternelle debout/marche ~ 1,4 met magasin debout/marche ~ 1,6 met Catégorie Températures opératives C Valeur maximale Valeur minimale pour le pour le chauffage refroidissement (hiver - 1 clo) (été - 0,5 clo) 21 25, , , , , , , ,5 17,5 25,5 16,5 26,0 17,5 24,0 16,0 25,0 15,0 26,0 Température de bulbe sec exté érieure (T a,out ) [ C] Température opérative idéale = 17,8 + 0,31 Tair,extérieure où Tair,extérieure e est la température extérieure moyenne mensuelle Pour information : Physiological equivalent temperature PET est utilisable pour une activité de bureau (gammes de températures données dans le tableau ci-dessous) Température Équivalente Sensation PMV Physiologique thermique PET en C PMV 3,5 PET +36 trop chaud 2,5 PMV 3,5 +32 PET < +36 très chaud 1,5 PMV 2,5 +28 PET < +32 chaud 0,5 PMV 1,5 +24 PET < +28 légèrement chaud -0,5 PMV 0,5 16 < PET < +24 confortable -1,5 PMV -0,5 12 < PET 16 légèrement frais -2,5 PMV -1,5 8 < PET 12 froid modéré -3,5 PMV -2,5 4 < PET 8 froid modéré PMV -3,5 PET 4 très froid Catégories pour le climat environnant et crières pour chacune d'entre elles (DIN ISO 7730 and ASHRAE 55) Catégorie Catégorie DR (%) 1 < 10 2 < 20 3 < 30 4 > 30 PPD (%) < 6 < 10 < 15 > 15 DR : draught rating (courant d'air) Etat thermique du corps Charge thermophysiologique stress thermique extrême grand stress thermique stress thermique modéré stress thermique léger confort léger stress dû au froid stress dû au froid stress dû au froid important stress dû au froid extrême Predicted Mean Vote (PMV) -0,2 < PMV < 0,2-0,5 < PMV < 0,5-0,7 < PMV < 0,7-0,7 > PMV ou 0,7 < PMV Manque de confort local PPD (Pourcentage de personnes insatisfaites) (%) Différence de température verticale plancher chaud ou froid Rayonnement asymétrique < 3 < 5 < 10 > 10 < 10 < 10 < 15 > 15 < 5 < 5 < 10 > 10 bâtiments avec ventilation mécanique bâtiments avec ventilation naturelle 20

23 2. Outils de simulation 2.1. Modèle physique simple (logiciel EES couplé à Excel) TRANSSOLAR a mis au point un programme sur le logiciel EES (solveur d équations) reprenant les équations détaillées dans la directive de la VDI 3787 afin de calculer les PT. Ce programme permet de modéliser une personne dans un environnement extérieur et exposé à des conditions climatiques précises, définies par des données météorologiques : Température de l air [ C] Humidité absolue [g.kg -1 ] Vitesse du vent [m.s -1 ] Température radiative moyenne extérieure tmrt [K], dépendant du rayonnement solaire direct et diffus, calculée selon les facteurs d angles (ou de Gebhart) comme suit : (28) σ constante de Stefan-Boltzmann E i rayonnement infrarouge : E i i=ε i.σ.ti 4 avec T i les température des surfaces considérées en K et ε i les émissivités de ces mêmes surfaces a k coefficient d absorption du corps irradié (0,7 est une valeur standard) D i rayonnement «courtes longueurs d ondes» ε p émissivité du corps humain (0,97) F i facteurs d angle Principe du modèle e_sky T_sky esol_sky q2_conv_out w_g q2_out tsol_mem_out e_mem_out T_mem tsol_mem_in e_mem_in q2_in w_g_red q2_ir_out q2_sol_out q2_ir_in q2_sol_in I_dir ET_H I_diff esol_mem_out esol_mem_in NIGHT DAY q2_conv_in x_mix T_mr_iR w_g_red T_Layer T_amb area height T_amb d_amb ET_H I_diff w_g q_cool_m3 dx c_p roh l e_top Figure 7 : Modèle physique utilisé pour l outil de calcul de température perçue dans EES q_top q_bot T_top esol_top q1_ir q1_sol q0_conv T_Layer x_mix T_air_ad x_air_ad q1_conv T_cool_xlimit x_limit. T_amb x_amb TEMP_1 TEMP_9 21

24 Le programme résout l équation de la chaleur unidimensionnelle par le biais de la méthode des différences finies, selon la discrétisation de Crank-Nicholson Nicholson. Chaque température, et en particulier la température du sol T_top,, est ainsi calculée de manière itérative. Les données météorologiques sont issues de fichiers météo. Les principales variables issues des fichiers météorologiques du modèle sont les suivantes : I_dir I_diff rayonnement solaire direct rayonnement solaire diffus [W/m²] [W/m²] ET_H = I_dir + I_diff rayonnement total [W/m²] w_g w_g_red vitesse de vent vitesse de vent réduite [m.s -1 [m.s -1 ] (les données météorologiques étant généralement prises à 10m de hauteur, un coefficient de réduction du vent dépendant des T_amb x_amb Projet de Fin d Études conditions géographiques du site est à prendre en compte) température de l air [ C] humidité absolue de l air [g.kg -1 ] Les données suivantes sont nécessaires aux calculs par échanges radiatifs (q2_ir et q2_sol), et convectifs (q2_conv) d un côté ou de l autre de la membrane (respectivement indicés _out si l échange s effectue vers le ciel et _in s il s effectue vers le sol) : T_sky e_sky esol_sky T_mem e_mem_out e_mem_in esol_mem_out esol_mem_in tsol_mem_out tsol_mem_in e_top esol_top T_top T_mr_IR température du ciel [ C] (obtenue via un calcul du logiciel de simulation dynamique TRNSYS (description du logiciel plus loin) émissivité du ciel absorptivité du ciel température de la membrane (de l ombrage modélisé sous la forme d une membrane physique) [ C] émissivité vers le ciel de la membrane émissivité vers le sol de la membrane absorptivité de la membrane côté ciel absorptivité de la membrane côté sol transmissivité de la membrane vers le ciel transmissivité de la membrane vers le sol émissivité du sol absorptivité solaire du sol température de surface du sol [ C] température radiative moyenne [ C] L échauffement de la membrane est pris en compte dans le modèle physique, et le calcul de la température radiative moyenne tient donc compte des échanges radiatifs avec la membrane ou avec le ciel selon le cas (T_mr_IR dépend donc de T_mem ou T_sky).. Le sol est divisé en dix couches, dont les températures, de la surface vers le sol, sont notées respectivement T_top, puis TEMP_1 à TEMP_9.. Il est possible de modifier l épaisseur de chaque couche notée dx. Ceci est particulièrement utile pour modéliser l inertie d une dalle active. En effet, le calcul des échanges thermiques en état instationnaire dans le sol permet de modéliser un stockage de chaleur ou un plancher rafraîchissant. Dans le cadre de la modélisation de cet élément, voici les propriétés du sol prises en compte : 22

25 q_cool_m3 λ roh c_p Projet de Fin d Études puissance volumique de froid assignée à la deuxième couche conductivité du sol masse volumique du sol capacité thermique massique du sol [MJ.h -1.m -3 ] [W.m -1.K -1 ] [kg.m - ³] [Wh.kg -1.K - -1 ] L échange conductif ctif au niveau du sol est noté q_top,, l échange convectif q1_conv et l échange radiatif avec l environnement extérieur q1_ir. Il est par ailleurs possible de modéliser un conditionnement d air dans la zone, en définissant : air_change_cool air_change_amb T_cool taux d infiltration d air pour le rafraîchissement taux d infiltration d air aux conditions ambiantes température de consigne du rafraîchissement [h -1 ] [h -1 ] [ C] Il est également possible de déshumidifier l air au-delà d une certaine limite d humidité absolue notée x_limit [g.kg -1 ]. Enfin, il est envisageable de modéliser un rafraîchissement adiabatique (i.e. humidification adiabatique), dont l efficacité est eta_adiabatic. Ceci influence la température d air et l humidité absolue, qui, après rafraîchissement, sont notées respectivement ectivement T_air_ad [ C] et x_air_ad [g.kg -1 ] Le calcul de PT d entrée : T_amb x_mix s effectue selon la VDI 3787, et prend en compte quatre paramètres température d air [ C] (N.B. en cas de présence d air conditionné ou de rafraîchissement adiabatique, la température prise en compte devient respectivement T_layer, qui tient compte de l échange convectif avec le sol, ou T_air_ad) humidité absolue [g.kg -1 ] calculée selon les différents éléments pris en compte (air conditionné ou non, rafraîchissement adiabatique ou non etc.) w_g_red vitesse du vent réduite [m.s -1 ] T_mr_IR température radiative moyenne [ C] calculée selon les facteurs d angles (ou de Gebhart), dépendant du rayonnement solaire direct et diffus et de la présence ou non d une membrane (et donc de ses propriétés physiques). Elle tient compte du rayonnement visible et infrarouge. 23

26 2.1. Modèle physique détaillé (logiciel TRNSYS) Description du logiciel TRNSYS Le logiciel de simulation thermique dynamique TRNSYS (Transient System Simulation Program) ) a été développé par l University of Wisconsin in Madison (U.S.A.) et introduit sur le marché en Depuis il a été perfectionné en continu et validé par différentes études scientifiques au niveau international. TRANSSOLAR s occupe en partie de son développement et de sa programmation. TRNSYS se base sur la méthode des équations de transfert,, étudiée en régulation dans le cours de M. FLAMENT. Par ces équations il est possible de décrire le comportement thermique non stationnaire des éléments de construction tels que des parois ou des dalles. Ce procédé a été développé dans les années 70 par l ASHRAE. Le logiciel TRNSYS a une structure modulaire qui permet de simuler plusieurs zones d un bâtiment, couplées à des installations techniques comme des CTA, des sondes géothermiques ou des dalles actives, et leur interaction avec le bâtiment. Des paramètres comme l'évolution du temps, les conditions climatiques extérieures ou effets transitoires, comme la capacité de stockage d'une structure, peuvent être pris en compte par le logiciel. Ce logiciel permet de simuler plus finement, et donc de manière plus réaliste certains paramètres par rapport au modèle précédent, où la modélisation est plus simpliste. En effet, depuis la version TRNSYS 17, il est possible de considérer le rayonnement solaire et le rayonnement infrarouge dans les trois dimensions d une zone thermique (ou airnode), ce que ne permet pas le modèle EES, où l équation de la chaleur est résolue de manière unidimensionnelle. Les environnements extérieurs étudiés peuvent donc être traités comme une zone thermique dans TRNSYS, pour laquelle les surfaces environnantes ont des conditions aux limites correspondant aux conditions environnementales extérieures. À l'intérieur du modèle, les conditions extérieures sont appliquées (température, humidité absolue et vitesses de l air). A l'intérieur de la zone thermique, (voir la figure 9 pour la démarcation du modèle abstrait thermique), un capteur de confort est positionné, ce qui permet de mesurer la température radiante moyenne ne extérieure (selon la VDI , cf. équation (28)). Comme dans le modèle précédent, les températures perçues sont calculées selon quatre paramètres d entrée : Température de l air [ C] Humidité absolue [g.kg -1 ] Vitesse du vent [m.s -1 ] Température radiative moyenne extérieure [K], calculée selon les facteurs d angles (ou de Gebhart), dépendant du rayonnement solaire direct et diffus et de la présence ou non d ombrages (et donc de leurs propriétés physiques) Principe du modèle 3D Grâce à un outil développé par TRANSSOLAR, il est possible de dessiner la géométrie d un bâtiment directement à partir du logiciel GOOGLE SKETCHUP, et d y définir les conditions aux limites des parois du modèle. Une fois cette opération réalisée, il est possible d importer le bâtiment dans l interface TRNBUILD, qui permet de modifier les caractéristiques propres au bâtiment lui-même (qui constitue un composant à part entière dans TRNSYS Studio (voir plus loin), avec ses propres paramètres d entrée et de sortie), telles que son orientation, ses surfaces, ses scénarii d utilisation, le mode de calcul radiatif sélectionné etc. TRNSYS Studio est l interface où l ensemble des équipements et phénomènes physiques influençant le bâtiment est défini. Les composants sont reliés entre eux (la sortie d un composant est 24

27 toujours reliée à l entrée d un autre). L organigramme ci-dessous reprend la procédure à suivre lors de l élaboration d un modèle 3D : Dessin du modèle 3D grâce au plugn TRNSYS 3D sur GOOGLE SKETCHUP Importation du modèle dans TRNBUILD (fichier.idf) pourla définition des régimes, scnénarii, du point de confort etc. Une fois le fichier.b17 contenant les informations relatives au bâtiment créé, importation dans TRNSYS Studio Liaison des différents équipements, phénomènes physiques ou contrôles au type56 (=le bâtiment) Simulation Figure 8 : Procédure à suivre lors de la création d un modèle 3D avec TRNSYS17 La figure ci-dessous explique le principe de modélisation d un environnement extérieur dans TRNSYS (qui nécessite obligatoirement un environnement clos, avec des conditions aux limites, pour permettre les calculs). Environnement extérieur Rayonnement solaire direct Modèle 3D de base utilisé pour la simulation du confort thermique extérieur dans TRNSYS 10 m toiture vitrée à 99% transmissivité du vitrage : 100% Modèle abstrait Rayonnement solaire diffuse Vitesse de vent Température de l air Humidité de l air Rayonnement infrarouge z y x sol massif (béton ou autre) 10 m 4 m parois veticales vitrées à 99% transmissivité du vitrage : 100% zone thermique avec géolocalisation d un point de confort (x=5m,y=5m et z=1m) pour lequel sont calculés les facteurs d angles et la température radiative moyenne Figure 9 : Principe du modèle 3D de base utilisé dans TRNSYS pour simuler un espace extérieur Hypothèses de modélisation Les vitrages dans le modèle ont une transmissivité solaire de 100%, et laissent donc entièrement passer le rayonnement solaire direct et diffus. Les vitrages verticaux sont à la température extérieure pour éviter tout transfertrt thermique le long des parois. Les conditions à l intérieur de la pièce Figure 10 : Exemple de modèle thermique sont les mêmes qu à l extérieur présentant des masques solaires (température, humidité et vitesse de vent). Par ailleurs, les températures de la face inférieure et de la face supérieure du modèle sont respectivement égales à la température du sol et du ciel (cette dernière afin de pouvoir simuler les échanges thermiques infrarouges entre la zone et le ciel). Un taux d infiltration [h - 1 ] est appliqué à la zone. Il est calculé selon la formule suivante : Taux d infiltration = v*3600*s V (29) v S V vitesse de vent surface d une paroi verticale volume du modèle [m.s -1 ] [m²] [m³] 25

28 Adaptabilité du modèle Projet de Fin d Études Ce modèle 3D peut être adapté apté selon la situation étudiée. Il est par exemple possible d y ajouter des éléments d ombrages, afin de simuler les masques créés par d éventuels bâtiments alentours (cf. figure 10). Certaines conditions aux limites sont donc modifiées (température des murs adjacents aux ombrages différents de la température extérieure dans ce cas). Les facteurs d angles, calculés automatiquement ent par le programme TRNBUILD, n ont également plus la même valeur. La température radiative moyenne calculée n est donc plus la même, me, et les températures perçues sont par conséquent différentes. D autres ajustements sont possibles, comme la mise en place de surfaces massives en remplacement des parois vitrées, ou encore la modélisation de surfaces «actives» telles que planchers ou plafonds rayonnants. 3. Études de confort extérieur Dans cette partie, je traiterai dans un premier temps le premier projet pour lequel j ai réalisé une étude de confort extérieur : la réhabilitation du port de Tanger au Maroc. Cette étude a été entièrement réalisée avec l outil EES développé par TRANSSOLAR. Je reviendrai ensuite sur le projet de l éco-parc de Taichung, à Taïwan, projet pour lequel j ai consacré le plus de temps au cours de mon PFE. Pour ce projet, des simulations ont été réalisées avec l outil EES en première approche, puis avec des modèles 3D sur TRNSYS Réhabilitation du port de Tanger (Maroc) Analyse climatique du site La première étape lorsque l on réalise une étude pour un projet consiste toujours en une étude des conditions climatiques du site, afin d identifier les potentiels énergétiques «gratuits» offerts par le rayonnement solaire, le vent ou encore le sol. Rayonnement solaire Rayonnement [kwh/m².an] Température extérieure moyenne [ C] 0 jan feb mar apr may jun jul aug sep oct nov dec 0 Figure 11 : Évolution du rayonnement solaire (barres en jaune) et des températures moyennes mensuelles (en bleu) au cours d une année Nous pouvons constater que le rayonnement solaire total annuel est de 1833 kwh..m - ².an -1, ce qui est relativement élevé (comparativement, Paris reçoit 1167 kwh.m - ².an -1 ). En été, ce rayonnement important peut conduire à des températures radiatives moyennes extérieures importantes, et donc une augmentation des températures perçues. Les températures 26

29 extérieures sont tempérées en hiver (aux alentours de 12 C) et atteignent en moyenne entre 23 et 24 C en été. Températures extérieures Température extérieure moyenne [ C] Confort extérieur Confort intérieur 0 Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Figure 12 : Évolution de la température extérieure au cours d une année Ce graphique montre l évolution de la température extérieure moyenne sur une année, avec les deux gammes de confort intérieur et extérieur. La ligne bleue représente la température moyenne annuelle de 17,7 C. Nous pouvons constater qu en hiver, il peut arriver que les températures extérieures baissent en dessous des températures limites pour le confort. En été, certaines heures dépassent les 30 C acceptables ; les températures perçues devront donc sans doute être réduites. Vent 338 North h 23 N h 1500 h h h West h 90 East >0.5 m/s >3.5 m/s >6.5 m/s 180 South >9.5 m/s >12.5 m/s North North h h h 100 h h h h 60 h h h h 20 h West h 90 East West h 90 East >0.5 m/s >0.5 m/s >3.5 m/s >3.5 m/s >6.5 m/s >6.5 m/s 180 South >9.5 m/s >12.5 m/s 180 South >9.5 m/s >12.5 m/s Figure 13 : Rose des vents à Tanger pour toute l année (en haut), pour l hiver (à gauche, température d air inférieure à 12 C) et pour l été (à droite, température d air supérieure à 26 C) 27

30 Projet de Fin d Études d tudes Comme nous pouvons le constater, les vitesses de vent sont globalement importantes, impor puisqu elles dépassent régulièrement 6,5 puisqu elles 6 m.s-1 (cf rose des vents du haut). L étude étude de données météorologiques a montré que l on dépasse des vitesses de 5 m.s-1 durant 45% du temps. En terme de confort extérieur, bien que les vitesses de vent peuvent réduire les températures perçues en raison d un échange convectif entre la peau et l environnement accru, des scientifiques comme Penwarden et al. [13] [ ] ont suggéré qu il était désirable pour les piétons de n être exposés à des vitesses itesses de vent supérieures à 5 m.s-1 que durant 10% du temps. Il s agira sans doute de protéger certaines zones publiques du vent dans ce projet, afin d éviter aux usagers une exposition prolongée à des vitesses de vent trop élevées. Diagramme de l air humide Humidit Relative (%) Humidité % 90% 80% 70% 60% 50% Pressure: hpa 40% Humidité absolue [g/kg] 15 30% DIN % 5 10% Temp Température extérieure rieure [ C] Figure 14 : Diagramme de l air humide pour Tanger Chaque point bleu correspond à une heure de l année. Ce diagramme de l air humide montre également la gamme de confort intérieur acceptable selon la norme DIN 1946 (cadre bleu). Nous pouvons simplement constater qu une grande majorité de points est en deho dehors rs de cette zone de confort. L air est globalement humide en raison de la proximité du site avec la mer. En effet, l humidité relative de l air dépasse souvent 70% (courbe rouge), valeur à partir de laquelle des personnes interrogées sur les conditions ambiantes ambiantes demandent généralement un air plus sec. Sol La température moyenne du sol à une profondeur de 10 m est de 17,5 C. Il est donc possible d envisager des technologies comme un puits canadien pour réduire les températures d air en été Etude de températures températures perçues : Cas hiver Objectifs En raison des conditions particulièrement venteuses qui ont tendance à faire baisser bais les températures perçues en hiver, il s agit de vérifier si le confort extérieur est acceptable, et de Tuteur : VASILE-MULLER VASILE MULLER Carmen 28

31 déterminer les meilleures solutions à proposer au client pour traiter la problématique du confort sur ce site durant cette période. Nous exposerons tout d abord le cas de base, le plus défavorable en terme de confort (personne dans un environnement ombragé à 100% et exposée au vent), puis nous proposerons des évolutions qui, pour chaque incrément, améliorent ce dernier. Cas étudiés et hypothèses retenues pour les simulations hivernales Nous nous pencherons sur six cas distincts pour la situation d hiver. Celle-ci est évaluée de décembre à mars, de 8h du matin à 18h le soir. Pour chaque situation, les cas sont donnés dans le tableau de gauche, du plus défavorable (cas de base, haut du tableau) au plus favorable (bas du tableau). Le tableau de droite reprend les hypothèses principales retenues pour les simulations réalisées grâce à l outil couplant le solveur EES au logiciel Excel pour l exploitation de résultats. Il est à noter que l efficacité du rafraîchissement adiabatique est équivalente à l efficacité d un humidificateur d air adiabatique : l évolution se fait selon les isenthalpes sur le diagramme de l air humide (une efficacité de 0% correspond au point initial, une efficacité de 100% correspond à un air saturé en vapeur d eau). Tableau 7 Cas étudiés pour la situation d hiver Cas Hiver Logo Cas de base : Personne à l ombre, exposée au vent et à proximité d un point d eau Revêtement foncé Tableau 8 Hypothèses de calcul pour la situation d hiver SITUATION HIVER Personne à l ombre et exposée au vent Revêtement foncé Personne à l ombre et protégée du vent Revêtement foncé Capacité thermique massique du sol [MJ/(kg.K)] Masse volumique [kg/m³] Conductivité thermique[mj/(h*m*k)] Réflectivité solaire (albédo) Emissivité Coefficient de réduction du vent Capacité thermique massique de l'air [MJ/(kg.K)] SOL AIR Personne au soleil et exposée au vent Revêtement foncé Personne au soleil et protégée du vent Revêtement foncé Statut de la membrane (0=inexistante, 1=fixe, 2=opérable) Emissivité (en haut) Emissivité (en bas) Asorptivité (en haut) Asorptivité (en bas) Transmissivité solaire Absorptivité du ciel Switch (0=OFF, 1=ON) Efficacité du rafraîchissement adiabatique (%) 1 20 MEMBRANE (OMBRAGE) RAFRAÎCHISSEMENT ADIABATIQUE Personne au soleil et protégée du vent, Revêtement clair Résultats Les résultats sont présentés sous forme de diagrammes en barres. Chaque couleur correspond à un échelon de PT (cf. échelle à droite des diagrammes), et chaque pourcentage correspond à une part d heures situées dans l intervalle de PT sur la période étudiée (de décembre à mars, et de 8h à 18h). Exceptionnellement, nous avons décidé d adapter la plage de confort de l échelle de températures perçues. Le ressenti thermique dans le cas de base s avérant plutôt bon (99% des PT comprises dans la plage de confort 0-20 C), nous avons décidé d optimiser le ressenti de température. Comme les températures à Tanger en hiver sont relativement douces, nous avons fait l hypothèse que la population ressent un confort plus important pour des PT comprises entre 14 et 20 C plutôt qu entre 0 29

32 et 14 C. Le ressenti du climat extérieur étant très dépendant de la région géographique du monde, cette hypothèse est tout à fait justifiée pour Tanger, où la population est plus habituée à des températures extérieures douces voire chaudes qu à des températures froides. Ces diagrammes permettent de noter l évolution du confort ressenti entre le cas de base (figure 15, à gauche) et le cas retenu (figure 15, à droite). Il est intéressant de noter que pour chaque évolution apportée, le pourcentage de temps où les gens ressentent une température perçue entre 14 et 20 C croît. L étude de ces résultats nous permet d affirmer qu en hiver, il faut protéger les personnes du vent, et limiter les ombrages. Dans le cas où des arbres sont prévus sur site, il s agirait donc de privilégier des arbres à feuilles caduques, pour permettre aux habitants d avoir accès au rayonnement solaire en hiver. Le cas finalement retenu est le cas où la personne est protégée du vent, exposée au soleil, avec un revêtement blanc (qui est également préférable en été, comme nous le verrons par la suite). 1.3% 3.5% 10.3% 1.3% 0.4% 13.4% 4.9% 98.4% 96.3% 89.8% 32.8% 48.4% 49.0% Température perçue PT in C PT PT < PT < PT < < PT < < PT < +14 Sensation thermique trop chaud très chaud chaud légèrement chaud confortable (zone haute) confortable (zone basse) 65.8% 37.8% 46.0% 0.3% 0.3% 0.2% Figure 15 : Résultats de l étude de PT pour le cas hivernal 0.1% Température perçue [ C] : : : : : : : :00 Date et heure Température de l'air extérieur [ C] PT Hiver : Vent, à l'ombre et revêtement sombre [ C] PT Hiver : vent réduit, soleil et revêtement sombre [ C] Vitesses de vent (m/s) Vitesses de vent réduites (m/s) Figure 16 : Evolution de la température d air extérieure, ainsi que des températures perçues et des vitesses de vent pour deux cas distincts (personne ombragée et exposée au vent, puis personne au soleil et protégée du vent) sur une semaine d hiver (du 9 au 16 janvier) Comme nous pouvons le voir sur ce graphique, lorsqu une personne est à l ombre et exposée aux vents froids, la température ressentie (en bleu) ) est inférieure à la température :00 Vitesses de vent [m/s] 30

33 extérieure (en rouge). En revanche, si l environnement est protégé du vent et que la personne se tient au soleil, la température ressentie en journée (en vert) ) est supérieure aux températures extérieures : le confort est donc amélioré Etude de températures perçues : Cas été Objectifs Les températures pouvant être assez importantes en été, il s agit de vérifier le ressenti thermique durant cette période, et le cas échéant, de l améliorer. Nous exposerons également dans un premier temps le cas de base, le plus défavorable en terme de confort, puis nous proposerons des évolutions qui, pour chaque incrément, améliorent ce dernier. Le cas de base n est pas le même en été qu en hiver. En effet, la situation la plus inconfortable pour une personne en été est lorsque celle-ci ci est exposée au soleil et protégée du vent, car les températures radiatives moyennes sont alors élevées, et les possibilités d évacuer la chaleur par convection et évapotranspiration réduites. Cas étudiés et hypothèses retenues pour les simulations estivales Nous nous pencherons sur six cas distincts pour la situation d été. Celle-ci est évaluée de juillet à septembre, de 8h du matin à 18h le soir. Pour chaque situation, les cas sont donnés dans le tableau de gauche du plus défavorable (cas de base, haut du tableau) au plus favorable (bas du tableau). Le tableau ci-dessous reprend les hypothèses principales retenues pour les simulations réalisées grâce à l outil couplant le solveur EES au logiciel Excel pour l exploitation de résultats. Tableau 9 Cas étudiés pour la situation d été Cas Été Logo Cas de base : Personne à l ombre, exposée au vent et à proximité d un point d eau Revêtement foncé Tableau 10 Hypothèses de calcul pour la situation d été Personne au soleil et protégée du vent, Revêtement clair SITUATION ÉTÉ SOL Personne ombragée par des arbres et protégée du vent Revêtement clair Capacité thermique massique [MJ/(kg.K)] Masse volumique [kg/m³] Conductivité thermique[mj/(h*m*k)] Réflectivité solaire (albédo) Emissivité 0.20 AIR Personne au soleil et exposée au vent Revêtement clair Personne ombragée par des arbres et exposée au vent Revêtement clair Coefficient de réduction du vent Capacité thermique massique de l'air [MJ/(kg.K)] Statut de la membrane (0=inexistante, 1=fixe, 2=opérable) Emissivité (en haut) Emissivité (en bas) Asorptivité (en haut) Asorptivité (en bas) Transmissivité solaire Absorptivité du ciel MEMBRANE (OMBRAGE) 0 0 RAFRAÎCHISSEMENT ADIABATIQUE Personne ombragée par des arbres, exposée au vent à proximité d'un point d'eau Revêtement clair Switch (0=OFF, 1=ON) Efficacité du rafraîchissement adiabatique (%) Résultats Les résultats sont présentés de la même manière que précédemment. 31

34 Nous pouvons dans un premier temps noter l impact d un revêtement clair par rapport à un revêtement foncé (cf. deux diagrammes en barre de gauche sur la figure 17). En été, les fortes radiations solaires conduisent à un échauffement important des surfaces sombres, ce qui entraîne une émission importante de rayonnement infrarouge de ces surfaces, et donc une augmentation des températures perçues. Ce phénomène est plus important en été qu en hiver, car le rayonnement solaire est plus important à cette période de l année. Les ombrages réduisent aussi sensiblement la perception de chaleur, en bloquant le rayonnement solaire, ce qui influence largement la température radiative moyenne (parfois jusqu à 10K de différence sur cette dernière entre un environnement ensoleillé et un environnement ombragé). Par ailleurs, bien que des vitesses de vent trop importantes soient, pour une exposition prolongée, inconfortables, elles permettent toutefois d augmenter les échanges thermiques par convection entre la peau et l extérieur par rapport à une situation dans un environnement protégé. Le rafraîchissement adiabatique, par le biais de fontaines par exemple, permet également de réduire re les températures perçues. 9.3% 34.4% 38.1% 4.6% 25.7% 46.6% 2.9% 16.5% 45.9% 1.3% 9.6% 31.1% 39.9% 2.1% 14.3% 37.8% 1.5% 10.5% 34.0% Température perçue Sensation thermique PT in C PT +38 trop chaud +32 PT < +38 très chaud +26 PT < +32 chaud +20 PT < +26 légèrement chaud 14 < PT < +20 confortable (zone haute) 0 < PT < +14 confortable (zone basse) 28.2% 42.5% 50.3% 15.2% 18.9% 17.0% 3.0% 4.2% 6.5% 1.1% 3.3% 3.6% 45 Figure 17 : Résultats de l étude de PT pour le cas estival Température perçue [ C] Vitesses de vent [m/s] : : : : : : :00 Date et heure Température de l'air extérieur [ C] PT Été : Vent réduit, soleil et revêtement sombre PT Été : Vent, ombragé à 90%, revêtement clair et rafraîchissement adiabatique de 10% Vitesses de vent (m/s) Vitesses de vent réduites (m/s) : :00 Figure 18 : Evolution de la température d air extérieure, ainsi que des températures perçues et des vitesses de vent pour deux cas distincts (personne au soleil, protégée du vent, puis personne ombragée par des arbres, exposée au vent) sur une semaine d été (du 17 au 24 juillet) 32

35 Comme nous pouvons le voir sur ce graphique, lorsqu une personne est au soleil et protégée du vent, la température ressentie (en bleu) ) est largement supérieure à la température extérieure (en rouge). En revanche, si l environnement est exposé au vent, et que la personne se tient sous des arbres (lieu ombragé à 90% et rafraîchissement adiabatique de 10%), la température ressentie en journée (en vert) est quasi systématiquement inférieure aux températures extérieures : le confort est donc amélioré Recommandations Voici les recommandations proposées au client une fois les études réalisées : En hiver: bloquer les vents froids d Est pour garantir aux usagers un confort extérieur convenable limiter les zones d ombres, et donc permettre l accès au soleil En été: privilégier des revêtements de sols clairs (réflectivité solaire ou albédo importants) à des revêtements classiques type asphalte multiplier les zones d ombres : profiter en particulier des arbres et de leur pouvoir de rafraîchissement adiabatique profiter de la capacité de rafraîchissement adiabatique offerte par les points d eau (fontaines, bassins etc.) Afin de garantir des zones d ombre en été et un plus grand accès au soleil en hiver, privilégier des arbres à feuilles caduques.. 33

36 3.2. L éco-parc de Taichung (Taïwan) N Figure 19 : Emplacement du parc à Taïwan Comme je l ai expliqué dans l introduction, le but de ce parc est de créer un espace interactif où les gens pourront expérimenter des modifications localisées du climat extérieur, ce par le biais d équipements requérant ou non de l électricité (actif ou passif). Au sein du projet, l objectif de mon travail était tout d abord de comprendre quels paramètres extérieurs influencent significativement le confort dans cette région. Cette étude a été réalisée à partir de l outil EES au modèle thermique unidimensionnel. Par la suite, j ai du réaliser des modèles thermiques simulant les différents équipements sur le logiciel TRNSYS, afin d avoir une idée précise de l impact des différentes technologies proposées par les architectes sur le confort extérieur. Le choix du logiciel TRNSYS s est imposé, car il est possible de prendre en compte les trois dimensions de l espace dans les calculs, notamment dans le calcul de la température radiative moyenne par l intermédiaire des facteurs d angles), ce qui garantit une plus grande précision qu avec un calcul unidimensionnel. N N La figure ci-contrecontre présente un aperçu du parc (il s agit en fait d un ancien aéroport), ainsi que l emplacement des différents équipements, obtenus d après les résultats de l analyse de CFD (Computational Fluid Dynamics) : en rouge les équipements qui visent à réduire les températures, en bleu ceux qui ont un impact sur l humidité et en noir ceux qui ont pour vocation de réduire la pollution atmosphérique. Figure 20 : Vue aérienne actuelle du parc et carte du parc et emplacements des équipements dans le parc 34

37 Analyse climatique du site Afin d avoir une meilleure idée du potentiel d utilisation des énergies renouvelables pour la production d électricité ou encore le fonctionnement des équipements, j ai réalisé une analyse climatique du site. Rayonnement solaire et températures extérieures Rayonnement solaire [kwh/(m².an)] Température moyenne extérieure [ C] 0 0 jan feb mar apr may jun jul aug sep oct nov dec Rayonnement horizontal : 1476 (kwh/m²:an) Température moyenne annuelle : 23,5 C Nombre d heure où la tempé érature extérieure > 25 C : 4202h (48% du temps) Nombre d heures où l humidit humidité extérieure est supérieure à 11,5 g/kg : 5519h (63 % du temps) Figure 21 : Évolution du rayonnement solaire (barres en jaune) et températures moyennes mensuelles (en bleu) Comme nous pouvons le constater sur ce diagramme, le rayonnement solaire à Taichung est relativement important (1476 kwh/(m².an) contre 1167 kwh/(m².an) à Paris pour information). Les températures extérieures sont situées entre 15 et 20 C de décembre à mars et dépassent 25 C de mai à octobre. Par ailleurs, le climat est très humide, avec des valeurs d humidités absolues dépassant 11,5 g/kg durant 5519h par an. Le climat est donc chaud et très humide. 40 Température moyenne extérieure [ C] Confort extérieur Confort intérieur 0 Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Figure 22 : Évolution de la température extérieure au cours d une année 35

38 Le graphique ci-dessus montre qu en été, les températures dépassent régulièrement 30 C. La température annuelle (en bleu) est de 23,5 C. Le climat étant par ailleurs très humide, il est donc facilement concevable que les conditions climatiques puissent être assimilées comme inconfortables par la population locale Diagramme de l air humide Pressure: hpa 100% 90% 80% 60% 70% 50% DIN Figure 23 : Diagramme de l air humide pour la ville de Taichung 35 40% 30% 20% 10% 40 Comme le montre le diagramme de l air humide, l humidité relative est rarement inférieure à 50%, et dépasse régulièrement 70%, valeur à partir de laquelle les personnes interrogées dans des enquêtes désirent généralement un air plus sec. Comme le montre la figure cicontre, il est également nécessaire d être vigilant en ce qui concerne les températures de rosée à Taichung. En effet, si la température d une surface dépasse le point de rosée, de la condensation se forme. À Taichung, les températures de rosée dépassent souvent 20 C (4157h soit 47% du temps). Température Dew Point Temperature de rosée [ C] > 28 > 26 > 24 > 22 > 20 > 18 > West Vent North 2500 h 2000 h 1500 h 1000 h 500 h 0 h Figure 24 : Rose des vents à Taichung South East Figure 25 : Fréquences auxquelles interviennent les températures de rosée dans l année à Taichung >0.5 m/s >3.5 m/s >6.5 m/s >9.5 m/s >12.5 m/s Fréquence [h] La rose des vents ci-contre contre reprend la direction et la vitesse du vent sur l ensemble de l année. En analysant plus finement la provenance des vents, nous nous sommes aperçus que les vents frais, (température extérieure inférieure à 24 C) proviennent essentiellement du nord, tandis que les vents chauds (lorsque la température est supérieure à 31 C) proviennent majoritairement du sud-ouest. De manière générale, les vitesses de vent sont très faibles; supérieures à 3 m/s durant moins de 28% du temps (cf. figure 26), ce qui traduit un potentiel éolien quasi inexistant

39 % Fréquence [h] Vitesse du vent [m/s] 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Fréquence cumulée (%) Potentiel de rafraîchissement adiabatique Températures [ C] ~6K Jul. 01.Jul. 02.Jul. 02.Jul. 03.Jul. 03.Jul. 04.Jul. 05.Jul. 05.Jul. 0:00 14:00 4:00 18:00 8:00 22:00 12:00 2:00 16:00 06.Jul. 6:00 06.Jul. 20:00 07.Jul. 10:00 08.Jul. 0:00 Température de bulbe sec extérieure [ C] Température de bulbe humide [ C] Température de rosée extérieure [ C] Figure 26 : Fréquences des vitesses de vent à Taichung sur une année Sol La température moyenne du sol à une profondeur de 10m est de 23,5 C. Des solutions techniques telles que des échangeurs de chaleur ou des puits canadiens peuvent donc être envisagées pour réduire les températures d air en été. Ceci permettrait notamment de pré- rafraîchir l air des climatiseurs mis en place pour certains équipements par exemple. Figure 27 : Potentiel de rafraîchissement adiabatique à Taichung durant une semaine chaude (du 1 er au 7 juillet) Le rafraîchissement adiabatique (ou humidification adiabatique) est une solution intéressante utilisant la chaleur latente contenue dans la vapeur d eau pour permettre le refroidissement d un environnement. Le potentiel de rafraîchissement adiabatique peut être déterminé par la différence entre la température de bulbe sec et la température de bulbe humide. Ici, nous constatons que le potentiel maximal est d environ 6K. Ceci signifie qu il est, grâce à un humidificateur d air adiabatique, possible d abaisser les températures de 6K. En résumé, le climat à Taichung est un climat tropical, chaud et humide, où deux saisons occurrent durant l année : l une plutôt sèche et tempérée de septembre à mars, et l autre de type mousson, avec des précipitations élevées d avril à août. 37

40 Paramètres influençant les températures perçues À partir de l outil EES-Excel, Excel, j ai réalisé une étude paramétrique, afin de voir quels paramètres influencentncent le plus les températures perçues sur site. Comme nous l avons déjà expliqué, quatre paramètres entrent en compte dans le calcul de PT : la température d air, la température radiante moyenne (qui dépend en partie de la température d air), l humidité absolue et la vitesse d air. Hypothèses Dans ces simulations, ce sont six cas différents qui ont été étudiés et comparés à un cas de base, où une personne est simplement exposée aux conditions climatiques extérieures (le rayonnement solaire direct et diffus sont issus du fichier météorologique, tout comme les températures et humidités de l air extérieur. Les vitesses de vent au niveau du sol sont corrigées d un facteur de correction de 0,7 par rapport aux vitesses données par le fichier météorologique, afin de tenir compte de la différence de hauteur entre la prise de mesure des vitesses et les vitesses au niveau du sol). Voici les hypothèses retenues pour tester chaque paramètre, ainsi que les paramètres d entrée du calcul de PT impactés par chaque mesure : Tableau 11 Hypothèses retenues pour l étude paramétrique Paramètre(s) d'entrée de PT Paramètre étudié Hypothèse impacté(s) Rayonnement solaire direct Rayonnement solaire diffus considéré comme nul Rayonnement solaire diffus Rayonnement solaire direct considéré comme nul Température radiative moyenne Température de l air Plancher (100W/m²) actif rafraîchissant Vitesse du vent Coefficient de réduction du vent de 0,2 au lieu de 0,7 Vitesse d'air Humidité de l air (déshumidification) Déshumidification si l humidité relative est supérieure à 8 g/kg Humidité Absolue Température d'air Humidité de l air (humidification adiabatique) Efficacité du rafraîchissement adiabatique de 100% Humidité Absolue Température d'air Les calculs ont été effectués ectués sur la journée la plus chaude de l année : le 15 juin. Résultats Pour le cas de base, j ai tracé des diagrammes en barre représentant la moyenne journalière pour les valeurs de : la température radiative moyenne la température d air (T_amb dans le modèle EES, cf figure 7) l humidité absolue la température perçue 38

41 Remarque : Le vent n est pas représenté sur ces diagrammes, car ce paramètre peut varier énormément sur une journée. De plus, l une des simulations fait déjà varier ce paramètre Température radiante moyenne [ C] Température d'air moyenne [ C] Humidité absolue [g/kg] Température percue moyenne [ C] Figure 28 : Moyennes des différents paramètres sur la journée du 15 juin pour le cas de base Par la suite, j ai réalisé un diagramme reprenant chaque simulation, et la variation de la moyenne de chaque index par rapport au cas de base sur la même journée. Par exemple, pour l étude du rayonnement solaire direct, la température radiative moyenne est inférieure de 4,7 C au cas de base, ce qui entraîne une chute de la température perçue de 1 C par rapport au cas de base : Variation des paramètres d'entrée de PT pour chaque cas par rapport au cas de base Température radiative moyenne [ C] Température d'air [ C] Température percue [ C] Humidité absolue [g/kg] Figure 29 : Variations des moyennes journalières des différents paramètres pour chaque étude, par rapport au cas de base 39

42 La figure 29 permet d observer plusieurs éléments. Premièrement, nous remarquons que le rayonnement diffus a une influence plus importante que le rayonnement direct sur le ressenti thermique des personnes : bloquer le rayonnement direct réduit la moyenne journalière de PT de 1K alors que bloquer le rayonnement diffus réduit cette dernière de 2,2K par rapport au cas de base. Le fait d installer un plancher rafraîchissant a un impact relativement réduit. La puissance surfacique retenue de 100 W/m² est une valeur optimiste pour un plancher rafraîchissant, et l on peut constater que son impact n est que de 0,7K sur la moyenne de PT. Réduire les vitesses de vent conduit à une augmentation de la moyenne de PT de 1K. Bien que les vitesses de vent soient, comme nous l avons vu dans l analyse climatique, plutôt faibles à Taichung, il serait dommage de se priver du bénéfice qu apporte ce facteur sur les températures perçues. En ce qui concerne les variations d humidité, nous pouvons dire, à la vu de la figure 29, qu elles influent nettement les températures perçues. En effet, sans faire varier la température radiative moyenne, nous constatons que le fait de déshumidifier l air selon les isenthalpes (procédé utilisé par les systèmes de déshumidification par roue dessicante typiquement) augmente nettement la température d air, ce qui entraîne une élévation des températures perçues de 2,2K en moyenne. Le rafraîchissement adiabatique semble en revanche être une solution efficace pour réduire les températures perçues sur le site, ce qui peut sembler contre-instinctiftinctif ; en effet, ceci signifie qu en humidifiant le climat déjà très humide de Taiwan, il est possible d améliorer le ressenti thermique d une personne! D après ces résultats, nous pouvons émettre l hypothèse que l humidité de l air joue un rôle plus important que le rayonnement solaire diffus sur PT. Ce dernier a plus d impact que le rayonnement direct sur PT. Le fait de bloquer ou au contraire d augmenter les vitesses de vent a un effet comparable au fait de bloquer le rayonnement direct sur PT. Enfin, le fait de mettre en place un plancher radiatif a un effet limité sur PT. Cette pré-étude étude permet donc de cibler plusieurs pistes pour le traitement ent du confort extérieur à Taïwan. Dans le cadre d équipements visant à déshumidifier l air, il faudra être vigilant à ce que la déshumidification soit accompagnée d un refroidissement, sous peine de voir les PT sévèrement dégradées. Inversement, le rafraîchissement adiabatique semble être une solution très efficace pour réduire le ressenti thermique des personnes. Naturellement, bloquer le rayonnement solaire et ombrager les espaces aura un effet favorable sur les PT. Il est toutefois intéressant de noter que le rayonnement diffus est plus important que le rayonnement direct à Taichung. Il peut donc s avérer utile d ombrager un espace, même si le ciel est nuageux, afin de bloquer les rayons diffus qui percent les nuages. Les vitesses de vent sont également un atout pour améliorer le confort extérieur. L usage d un plancher radiatif s avère peu efficace si l espace n est pas ombragé. En revanche, nous pouvons conjecturer que l utilisation d un plafond rayonnant, ombrageant la zone et permettant un échange radiatif entre le plafond et la personne, peut s avérer bien plus performant. En effet, le rayonnement solaire étant bloqué et la surface étant rendue plus froide qu un élément d ombrage normal, la température radiative moyenne serait abaissée de manière plus importante que dans le cas d une simple protection solaire. 40

43 Etudes de températures perçues Conditions initiales Les températures perçues calculées pour chaque équipement du parc sont comparées à la PT du cas de base (qui, comme nous le verrons, correspond aux conditions environnementales extérieures). Pour cela, deux dates ont été choisies par les architectes pour évaluer l'efficacité de ces derniers: le 28 avril à 15h10 et le 26 juin à 11h30. Voici un aperçu des conditions extérieures à ces dates : Figure 30 : Conditions extérieures aux dates retenues Tair est la température de l air, HS l humidité spécifique, Tr la température de rosée et Rtot,hor le rayonnement surfacique horizontal Le cas du 26 juin est retenu pour le dimensionnement des équipements (calcul de la puissance électrique nécessaire), les conditions y étant plus défavorables que le 28 avril. N.B. Les diagrammes en barre donnant la répartition statistique de PT sont calculés heure par heure, pour une année entière, et de 8h à 20h. Hypothèses de simulation Au total, les architectes ont prévu 73 types d équipements différents à positionner dans le parc, certains pour affecter la température, d autres pour modifier l humidité et enfin certains pour traiter des problèmes de pollution. Nous sous sommes focalisés sur les deux premiers types d équipements, et avons simulé une quinzaine de solutions différentes. Le modèle retenu pour simuler le cas de base est le modèle thermique simple décrit au chapitre Les hypothèses de modélisation sont identiques. En ce qui concerne les autres simulations réalisées, certains ajustements peuvent être réalisés sur le modèle thermique. Le tableau suivant récapitule les modifications apportées au modèle de base pour chaque équipement simulé. 41

44 Tableau 12 Modifications apportées au modèle de base pour les différentes simulations Modifications apportées au modèle 3D de base et paramètres Équipements physiques impactés par rapport au cas de base pergola Ombrage fixe : transmissivité solaire 60%, émissivité 90% ; Réduction de la température radiative moyenne structure massive parasol à faible émissivité grotte arbres plafond et murs rayonnants plafond rayonnant ventilateur deshumidification à température constante air conditionné Toiture massive (20 cm de béton) Lieu ombragé par conséquent à 100%, émissivité du béton : 90% ; Réduction de la température radiative moyenne Ombrage fixe : transmissivité solaire 0%, faible émissivité 5% ; Réduction de la température radiative moyenne 3 murs et toiture massifs dans le modèle (20 cm de béton) ; 1 mur reste vitré à 99% ; Réduction de la température radiative moyenne Ombrage fixe : transmissivité solaire 90%, émissivité 90% ; Humidification adiabatique : Efficacité de 10% ; Réduction de la température radiative moyenne et de la température d'air, Humidité absolue 3 murs et toiture massifs et actifs dans le modèle (16 cm de béton et 5cm d'isolant) ; 1 mur reste vitré à 99% ; Débit masse d'eau passant dans les surfaces actives : 12 kg/h ; Température de l'eau : 20 C si T rosée <20 C, T rosée +0,5 C sinon (éviter la condensation) ; Réduction de la température radiative moyenne Hauteur du modèle : 2m ; point de confort au milieu de la surface active, à 1m de hauteur Toiture massive (20 cm de béton), avec un carré de 2,5m² actif dans le modèle (10 cm de béton) ; Débit masse d'eau passant dans la surface active : 12 kg/h ; Température de l'eau : 20 C si T rosée <20 C, T rosée +0,5 C sinon (éviter la condensation) ; Réduction de la température radiative moyenne Vitesse de vent constante de 5 m/s si T a <32 C ; Augmentation de la vitesse d'air Déshumidification adiabatique de l'air de 4,7g/h à température constante (utilisation d'un échangeur de chaleur pour refroidir l'air une fois la déshumidification effectuée) ; Humidité absolue Refroisissement si T a >26 C à une température de consigne de 26 C ; Réduction de la température d'air puits canadien Rafraîchissement des températures par un puits canadien Efficacité du puits : 30%, d'où T air_sortie_du_puits = T a - 0,3(T a -T sol ) ; Réduction de la température d'air machine à brouillard Humidification adiabatique du taux d'infiltration pénétrant le volume Humidité relative exigée: 95% ; Réduction de la température d'air, Humidité absolue humidificateur adiabatique à Humidification adiabatique du taux d'infiltration pénétrant le volume ruissellement Efficacité de 80% ; Réduction de la température d'air, Humidité absolue brumisateur Ombrage fixe : transmissivité solaire 0%, émissivité 90% ; Humidification adiabatique du taux d'infiltration pénétrant le volume : Efficacité de 80% ; Réduction de la température d'air, Humidité absolue surface gelée Surface de 0,5m² à 0 C au niveau du sol - les phénomènes convectifs sont négligés, seul le rayonnement infrarouge est considéré ; Réduction de la température radiative moyenne 42

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