TD DE PLÉIADE. Conception bioclimatique et analyse du confort thermique par simulation dynamique : «PLEIADES + COMFIE» Département ME

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1 TD DE PLÉIADE Conception bioclimatique et analyse du confort thermique par simulation dynamique : «PLEIADES + COMFIE» Département ME Enoncé de TD «Pléiades + Comfie» 1

2 2.Introduction L objectif de cette séance de travaux dirigés est de construire un cabanon, situé à Carpentras, puis d en calculer les besoins énergétiques annuels. Des calculs successifs seront réalisés afin d optimiser et de réduire les besoins énergétiques du cabanon. Figure 1 : Plan du cabanon à étudier Ce travail se déroule en 2 parties (environ 4 heures chacune) au cours desquelles, il conviendra de : Partie 1 : définir la composition des parois (sous Pléiades); construire le cabanon (sous Alcyone); prévoir des scénari de chauffage, de ventilation, de climatisation, d occupation et réaliser quelques simulations des besoins de chauffage dans quelques cas simples. Partie 2 : Optimiser les besoins énergétiques d hiver en renforçant l isolation, récupérant les apports gratuits, optimisant les pertes par renouvellement d air. Optimiser les besoins d été, notamment en tachant de réduire au minimum les besoins en climatisation. 2.Description du cabanon Le plan de ce bâtiment est donné sur la figure 1. Ce cabanon réalisé sur vide sanitaire comporte un seul étage et est couvert par une toiture rampante. Une fois ce bâtiment réalisé, il comportera 2 niveaux : le rez-de-chaussée et la toiture. Le cabanon n est pas masqué par des bâtiments ou des collines. Il est situé à Carpentras (Carpentras, TRY dans la base de données Pléiades) Description des parois Les parois du cabanon sont décrites dans le tableau 1. La hauteur du premier niveau (rez-dechaussée) est de 2.5 m. Enoncé de TD «Pléiades + Comfie» 2

3 Paroi extérieure isolée, R = 2.28 m 2 KW -1 Nom Type Classe Epaisseur enduit extérieur parpaing de 20 polystyrène expansé placoplatre BA 10 Matériaux Eléments Matériaux Eléments Mortiers & plâtres Blocs Isolants & plastique Panneaux 1 cm 20 cm 8 cm 1 cm Plancher bas, R = 2.24 m 2 KW -1 Nom Type Classe Epaisseur polystyrène expansé hourdis de 16cm en béton béton lourd mortier carrelage Matériaux Eléments Matériaux Matériaux Matériaux Isolants & plastique Blocs Pierre et béton Mortiers & plâtres Pierres & bétons 8 cm 16 cm 4 cm 4 cm 1cm Mur de refend, R = 0.27 m 2 KW -1 Nom Type Classe Epaisseur placoplatre BA 13 parpaing de 20 placoplatre BA 13 Eléments Eléments Eléments Panneaux Blocs Pierre et béton 1.3 cm 20 cm 1.3 cm Toiture rampante, R = 3.94 m 2 KW -1 Nom Type Classe Epaisseur Laine de verre placoplâtre BA 13 Matériaux Eléments Tableau 1 : description des parois du cabanon Description des ouvrants Isolants & plastiques Panneaux 16 cm 1.3 cm Le bâtiment comporte des portes de 0.83 m de large et 2.04 m de haut. Les fenêtres sont larges de 1.15 m et hautes de 1.0 m. Deux lucarnes sont présentes dans le cabanon et font 0.5m 0.5m. Les portes fenêtres sont larges de 2.4 m et hautes de 2.04 m. Tous les ouvrants ont un retrait de 0.2 m, une hauteur sous allège de 1 m pour les fenêtres et 1.8 m pour les lucarnes. Nom Classe Epaisseur Fen. Bat. PVC DV Climalit Sgg Fen. Bat. CLIMALIT Uvitrage = 2.7 Wm -2 K -1 Porte Bois Intérieure Porte Uopaque = 2.4 Wm -2 K -1 Porte Bois Isolante Performante Porte Uopaque = 0.8 Wm -2 K -1 Tableau 2 : Caractéristiques des ouvrants. Enoncé de TD «Pléiades + Comfie» 3

4 2.3. Occupation Ce logement est occupé par 2 personnes dont l une travaille de 8h à 12h et de 14h à 19h. Les 2 occupants mangent ensemble le midi. 3.Quelques icônes utiles sous PLEIADES Pour définir les parois d un bâtiment et préparer des simulations, 3 icônes (en haut de la barre d outils, fig.2), correspondant à 3 modules, sont utiles. Lorsque l on est dans l un des 3 modules, son icône est grisée!"#$%&#' ()*%+$,%-$.*!"#$"%&'()*+,%-.&/*0&"%- 1-2"/%--+3+-&45 6%-0&"%--+3+-&45 7"3*$8&"%-45 9:.*$&8&. Figure 2 : Barre d outils sous PLEIADES Le premier module, celui de la bibliothèque, permet d accéder aux onglets : matériaux (bibliothèque de matériaux usuels de construction), menuiseries (vitres, portes et huisseries usuelles), compositions (pour réaliser des parois et donc compléter la bibliothèque Pléiades), composition multiple, éléments, équipements (pour définir les équipements du bâtiment : ordinateur, éclairage,...), écran végétal, albédos (pour tenir compte de la position du soleil), états de surface (notamment pour évaluer les effets de la couleur des surfaces sur les déperditions), scénarios annuels (de chauffage, de climatisation, d occupation, de ventilation,...), scénarios hebdomadaires (de chauffage, de climatisation, d occupation, de ventilation,...). Le second module est celui des constructions et permet de lister et caractériser les parois (onglets liste des parois, caractéristiques des parois), les composants importés, ou de définir les masques occultant les ouvrants (onglet masques intégrés). Le module Environnement, fonctionnement, simulation, résultats est utilisé en fin de projet lorsque les simulations sont lancées. Ce module permet de choisir les conditions météos (sites et météo du lieu Enoncé de TD «Pléiades + Comfie» 4

5 d implantation du bâtiment, les masques autour du bâtiment (immeubles, collines,...) masques proches, de retrouver les composants ou parois créées dans le module construction et importés vers le projet en cours de lancer des simulations ou de visualiser les résultats de ces calculs : sorties. 4.Partie 1 = création du cabanon 4.1. Définition des parois sous pléiades 1. Vérifier la disponibilité des matériaux et des éléments utilisés dans le cabanon : module bibliothèque, onglets «matériaux» et «éléments». 2. Créer les parois du cabanon : module bibliothèque, onglet composition (figure 3). Les compositions des parois concernant le projet sont fournies dans le tableau 1. Chaque paroi créée doit bien-sûr être sauvegardée. En cliquant sur l onglet «sauver» (en bas à droite), la paroi est sauvée dans la bibliothèque Pléiades. Elle apparaît alors dans la liste de compositions du logiciel, en étant marquée par un point vert qui indique que cette paroi a été créée par un utilisateur et ne fait pas partie des compositions de base du logiciel. Cela permettra de retrouver cette paroi sous Alcyone. En cliquant droit sur cette paroi, on peut la supprimer. Pour pouvoir utiliser la paroi créée ou la modifier lors des phases de simulation, il est préférable de sauver la paroi «vers le projet». Figure 3 : Exemple de composition de parois. A droite, on peut choisir la classe de paroi : mur, toiture, plancher..., donner un nom à la paroi composée. Ensuite, il suffit de glisser dans le tableau de droite les éléments ou matériaux constitutifs de la paroi qui sont visibles à gauche de la fenêtre. Pour chaque matériau glissé dans la composition, il faut définir l épaisseur. Les parois sont définies de l extérieur vers l intérieur. Une fois sauvée, la paroi apparaît marquée d un point vert dans la liste de compositions. 3. Chercher dans la bibliothèque les menuiseries nécessaires. Modifier éventuellement la nature du cadre, le pourcentage de vitrage en fonction du type d ouverture, le coefficient U ou le facteur solaire des ouvrants dont les caractéristiques sont listées dans le tableau 2. Sauver (et éventue#ement envoyer vers le projet) chaque menuiserie modifiée. Enoncé de TD «Pléiades + Comfie» 5

6 Figure 4 : Onglet Menuiseries. Pour changer les caractéristiques d une paroi, cliquer sur l onglet «changer les caractéristiques». 4. Vérifier que les états de surface des parois utilisées dans ce TD sont bien présents dans le module bibliothèque, onglet «état de surface», voir leur définition au tableau 3. Type Nom Classe Face externe Calcaire clair Pierres & bétons Plancher Calcaire clair Pierres & bétons Toiture externe sans importance si isolée Face interne Peinture blanche Peintures Plafond Peinture blanche Peintures Tableau 3 : Etat de surface à prendre en compte dans le cadre du projet. 5. Quitter Pléiades en s assurant au préalable que les parois et menuiseries créées sont enregistrées dans le dossier Mes données Pléiades / Bibliothèque. Par ailleurs, pour sauvegarder (d une séance à l autre) les modifications apportées à la liste de compositions de base de PLEIADES, on pourra copier/archiver la Bibliothèque (dans Mes Données Pléiades/Bibliothèque). Enoncé de TD «Pléiades + Comfie» 6

7 4.2. Construction du cabanon sous Alcyone P réparer les paramètres par défaut dans Alcyone 1. Lancer Alcyone. 2. Définir les paramètres par défaut, reportés sur la figure 5, en se plaçant dans l onglet Données de construction. Figure 5 : Paramètres par défaut à utiliser pour le présent TD. Dans ce tableau sont définies les parois, les menuiseries utilisées par défaut pour construire le cabanon. De ce fait, on ne peut évidemment choisir qu une paroi par défaut pour chaque type de paroi. Par exemple, si on choisit la porte bois intérieure comme porte par défaut, toutes les portes du logement seront des portes bois intérieure. Il conviendra de modifier ultérieurement les portes qui ne sont pas des portes bois intérieures, comme par exemple la porte d entrée. Le logement est sur vide sanitaire, il faut donc penser à cocher l onglet correspondant. Il faut ensuite définir les dimensions par défaut des ouvrants, les états de surface. Les ponts thermiques doivent être choisis astucieusement en se souvenant que le logement ne comporte qu un rez-de-chaussée et est couvert par une toiture rampante. Pour définir les ponts thermiques du cabanon, il faut d abord décocher «utiliser les ponts thermiques par défaut». Enoncé de TD «Pléiades + Comfie» 7

8 Ty p e Nom ψ [ W. m -1K -1] So/vide sanitaire PB-ME Mur - Mur PV-MM1!"#$%&' 0.02 Mur - Refend MR - ME - I ()*+,*,'))- Tableau 4 : Ponts thermiques à prendre en compte dans le cabanon C o n s t r u i r e l e c a b a n o n s o u s A l c y o n e Pour cela, il faut se placer dans l onglet «plan» de Alcyone.!"#$%&' ()*+,*,'))-.+/0,12'!"#$%&' ()*+,*,'))-.+/0,12')34)/+.)&,5'+26 A)Saisir le premier niveau Importer le plan de fond : menu plan/ importer un plan de fond (ds notre cas graphicfoorplan.jpg»). Définir la position du nord : menu plan/ définir l orientation du plan : orientation choisie de -90 (baie vitrée au sud) Définir l échelle :!"#$%&' ()*+,*,'))-.+/0,12')34)/+.)&,5'+26 tracer une ligne de longueur connue ( ) cliquer sur l outil caractéristique d une paroi (les outils sont à gauche de l écran cliquer sur la ligne tracer et renseigner le champ «longueur». L unité utilisée par défaut est le «pied», tandis que l échelle utilisée dans le TP est le mètre. ), Dessiner les parois du premier niveau (utiliser la barre d outils à gauche). On pourra par!"#$%&' ()*+,*,'))-.+/0,12')34)/+.)&,5'+26 exemple tracer un rectangle recouvrant entièrement le cabanon, puis tracer des lignes représentatives des cloisons ou murs porteurs intérieurs. Ajouter les portes et fenêtres (utiliser la barre d outils à gauche ): modifier les dimensions des ouvrants, ainsi que leur retrait et leur hauteur d allège. vérifier la composition de chacune des parois ou huisseries (utiliser ) : par exemple si la porte d entrée a été mise par défaut en «porte bois intérieure», la remplacer par une porte «porte bois isolante haute performance». B) Saisir les niveaux suivants : Passer au niveau 1 (en haut de la fenêtre de plan). Réaliser la toiture : Le cabanon est à Carpentras, ainsi la hauteur maximale du toit par rapport à son niveau le plus bas est de 1 mètre. diviser le cabanon en 2 parties (plus ou moins égales), pour chacune des 2 parties ( ), placer deux points de références à 1 mètre par rapport au bas de la toiture et un point à 0 mètre par rapport au bas de la toiture. Enoncé de TD «Pléiades + Comfie» 8

9 4.2.3.F inaliser la saisie A)Définir la hauteur de chaque niveau. B)Nommer les pièces : cliquer sur l outil définir des pièces choisir nommer les pièces saisir le nom cliquer sur la pièce concernée et lui affecter son nom C)Définir les zones : cliquer sur l outil définition des zones choisir définir les zones cliquer sur le numéro de zone à affecter cliquer sur la pièce concernée pour affecter le numéro de zone E xporter le projet dans PLEIADES + COMFIE A)Enregistrer le projet sous Alcyone. B)Cliquer sur Exporter vers Pléiades + Comfie cliquer sur le bouton Exportation sauvegarder le fichier Pléiades + Comfie (.plp) sauvegarder et imprimer si nécessaire les plans Alcyone. 5.Partie 2 =Simulations des comportements 5.1. Vérification de la géométrie dans Pléiades Cette vérification se fait dans le second module de Pléiades, le module Construction (figure1) ou Saisie multi-zone. 1. L onglet pièces & contacts permet de vérifier la liste des pièces et des parois qui ont été exportées depuis Alcyone. 2. L onglet liste des parois recense pièce par pièce le nom des parois, leur contact associé, leur surface, leur orientation, leur état de surface, leur composition,... Cet onglet est donc très utile pour vérifier que chaque pièce est correctement constituée. 3. L onglet «composants importés fournit la liste des matériaux, des éléments, des menuiseries, des compositions. Cet onglet permet également de remplacer une composition par une autre, ce qui permet par exemple de changer l une ou l autre des parois (murs extérieurs, refends, plancher, toiture,...) 4. L onglet caractéristiques des parois permet de vérifier la composition des parois. 5. L onglet masques intégrés permet de gérer les masques au niveau des ouvrants. Enoncé de TD «Pléiades + Comfie» 9

10 On pourra revenir dans ce module pour affecter des albédos, des masques ou des écrans végétaux. Ces derniers devront être définis dans le module Bibliothèque et importées vers le projet, de sorte qu ils apparaitront dans l onglet composants importés du module Construction Définir les scénari de fonctionnement Les scénari de fonctionnement se définissent dans la bibliothèque thermique (module 1 de Pléiades). Deux types de scénari peuvent être définis : scénarios hebdomadaires ou scénarios annuels. Pour chaque type de scénario (annuel ou hebdomadaire), des scénari de ventilation, d occultation, d occupation, de consigne de thermostat, de puissance dissipée peuvent être définis S cénario hebdomadaire/annuel de ventilation à définir Il existe 2 scénari de ventilation définis par défaut dans pléiades : un scénario d hiver où le bâtiment est ventilé toute la journée à 100% et un scénario d été où le bâtiment n est ventilé que la nuit (à 100%). Ces scénari sont utilisés pour définir le scénario annuel utilisé dans le cadre du TD. Le scénario annuel de ventilation annuel est tel que : scénario de ventilation d hiver de la semaine 1 à la semaine 11 incluse et de la semaine 42 à la semaine 52 incluse. scénario de ventilation d été de la semaine 12 à la semaine 4 incluse. Une fois le scénario annuel défini (en glissant les scénari hebdomadaires vers les semaines concernées du scénario annuel), il faut lui donner un nom et l exporter vers le projet S cénario hebdomadaire/annuel d occupation à définir Le logement est occupé par 2 personnes dont l une travaille de 8h à 12h et de 14h à 18h, 5 jours sur 7. Les deux occupants sont donc réunis dans le logement en dehors des horaires précédents. Par ailleurs, le week end, les deux occupants quittent le cabanon de 14h à 18h. Pour définir le scénario hebdomadaire d occupation, il faut modifier le scénario d occupation standard en corrigeant le nombre d occupants et le pourcentage d occupation (par un clique droit sur les pourcentages et en se servant de la table de valeurs), modifier son nom et l importer vers le projet. Ce scénario hebdomadaire est reporté dans chaque semaine du scénario annuel qu il faut nommer et exporter vers le projet S cénari de consigne de thermostat Il existe 2 scénari hebdomadaires de base dans Pléiades : un scénario de climatisation standard où la température est toujours maintenues à 27 C et un scénario de chauffage standard où la température est maintenue à 19 C la journée et 15 C la nuit. Trois autres scénari hebdomadaires sont à créer : chauffage constant à 19 C : la température est maintenue à 19 C toute la journée, chauffage constant à 20 C : la température est maintenue à 20 C toute la journée, climatisation constante à 19 C : la température est maintenue à 19 C toute la journée. Ces 3 scénari hebdomadaires sont ensuite déclinés en 3 scénari annuels. Enoncé de TD «Pléiades + Comfie» 10

11 5.3. Préparation d une simulation Pour cela, il faut se rendre dans le 3 ième module Environnement, fonctionnement, simulation, résultats ( figure 2). Les 3 zones du cabanon apparaissent. En plus des informations de surface et de volume, on peut glisser les scénari d occupation, de ventilation, de chauffage et de climatisation. Dans le cadre du td, les scénari de : chauffage et ventilation sont affectés à la salle de bain, chauffage, éventuellement climatisation, ventilation, occupation sont affectées à la chambre et au séjour. Il ne reste plus qu à lancer une simulation (voir onglet simulation) et à visualiser les résultats (voir onglet sorties) Etudes demandées Optimisation du confort d hiver A partir du cas 4, il faut utiliser la variante 3, puis la modifier selon les propositions faites. Au moment de lancer une simulation, modifier le nom de la simulation en lui donnant un nom clair, pour pouvoir ensuite ré-ouvrir chaque variante et les résultats associés. N variante cas 1 Nom Consigne de température à 20 C Détails Affecter le scénario de chauffage constant à 20 C aux 3 pièces Affecter le scénario de ventilation aux 3 pièces Affecter le scénario annuel d occupation à la chambre et au séjour cas 2 cas 3 Consigne de température à 19 C Programmation d un ralenti de nuit Comme ci-dessus en remplaçant le scénario de chauffage à 20 C par celui à 19 C. Affecter le scénario de chauffage standard (Pléiades) aux 3 pièces Affecter le scénario de ventilation aux 3 pièces Affecter le scénario annuel d occupation à la chambre et au séjour cas 4 Occultation nocturne Onglet Scénarios hebdomadaires du module 1 sélectionner le scénario d occultation désirée le modifier et le renommer éventuellement l exporter vers le projet Onglet Caractéristiques des parois du module 2 affecter l occultation aux parois concernées dans le cadre environnement cas 5 Modification d une composition (isolant toiture) Onglet Composants importés du module 2 cliquer sur la composition à modifier la modifier dans la bibliothèque la ré-exporter vers le projet Enoncé de TD «Pléiades + Comfie» 11

12 N variante cas 6 cas 7 cas 8 cas 9 Nom Variation paramétrique sur l épaisseur d isolant Modification du type de vitrage (Climaplus 4/16/4 Argon) Ventilation «hygro» asservie à l occupation Détails Onglet Simulation/ Variations paramétriques du module 3 choisir sur la composition, puis la paroi, puis l élément à modifier renseigner les intervalles et le pas de la variation paramétrique lancer les simulations Choisir des intervalles & des pas corrects, pour ne pas «planter» Pléiades Onglet Menuiseries du module 1 sélectionner la menuiserie désirée la modifier et la renommer éventuellement l exporter vers le projet Pour ne modifier que quelques vitrages : onglet caractéristiques des parois du module 2 de vitrage pour les vitrages concernés Pour modifier tous les vitrages : & modifier le type onglet composants importés du module 2 & modifier le type de vitrage standard de sorte que tous les vitrages seront modifiés Dans le cadre du TD, modifier tous les vitrages standard. Onglet Fonctionnement/ Zones thermiques du module 3 double cliquer sur le scénario d occupation d une zone le transformer en un scénario de ventilation dans la bibliothèque adapter le débit max et le scénario le re-exporter vers le projet en changeant son nom vérifier son affectation aux zones concernées Onglet Fonctionnement/ Zones thermiques du module 3 Ventilation double flux avec double cliquer dans la grille sur le nom des zones concernées récupération renseigner le champ efficacité de l échangeur : valeur entre 0 et 1 répéter l opération pour chaque zone concernée Présentation des résultats : Une synthèse de simulations est réalisée sous excel. Elle consiste à reporter pour chaque variante, les besoins en chauffage, les températures minimales et maximales sous forme de tableau & sur un graphe d'abscisse la température maximale et d ordonnées les besoins de chauffage. Enoncé de TD «Pléiades + Comfie» 12

13 Optimisation du confort d été Le but de cette première série de simulations est : d évaluer la part de la climatisation sur les besoins énergétiques du cabanon, d estimer si les modifications apportées pour optimiser les besoins de chauffage permettent de réduire ou d augmenter les besoins de climatisation. N variante cas 3 bis cas 3 ter cas 5 ter cas 6 ter cas 7 ter cas 8 ter cas 9 ter Nom Consigne de température à 19 C Consigne de température à 27 C Modificat de l isolant de toiture Modificat de l épaisseur de l isolant Modificat du type de vitrage Ventilation hygro-réglable VMC double flux Détails Rajouter le scénario de climatisation constante à 19 C au séjour et à la chambre Reprendre les caractéristiques de la variante 3 Rajouter le scénario de climatisation constante à 27 C au séjour et à la chambre Reprendre les caractéristiques de la variante 3 Reprendre les caractéristiques de la variante 3 ter Reprendre les caractéristiques de la variante 5 Reprendre les caractéristiques de la variante 3 ter Reprendre les caractéristiques de la variante 6 Reprendre les caractéristiques de la variante 3 ter Reprendre les caractéristiques de la variante 7 Reprendre les caractéristiques de la variante 3 ter Reprendre les caractéristiques de la variante 8 Reprendre les caractéristiques de la variante 3 ter Reprendre les caractéristiques de la variante 9 Les simulations suivantes ont pour but d optimiser spécifiquement les besoins en climatisation. La variante 10 débute en choisissant la solution incluant les consignes de température en hiver : 19 C/ 15 C et en été : 27 C et minimisant les besoins en chauffage et en climatisation. Les variantes suivantes (11 et suite) reprennent les modifications apportées à la variante 10 et ainsi de suite... N variante cas 10 cas 11 Nom Protection solaire des ouvertures sud Occultation diurne Détails Onglet masque intégré du module 2 modifier le masque intégré contrôler ces caractéristiques à l aide du bouton «infos» & de la visualisation des ombres le renommer & le sauvegarder Onglet Caractéristiques des parois du module 2 affecter le nouveau masque intégré aux vitrages concernés Réaliser une occultation diurne (voir cas 4 pour la méthode) à réaliser sur les ouvrants est et ouest Enoncé de TD «Pléiades + Comfie» 13

14 N variante cas 12 cas 13 cas 14 Nom Choix de verre solaire Isolation par l extérieur Surventilation nocturne Détails Onglet Menuiseries du module 1 sélectionner la menuiserie désirée la modifier et la renommer éventuellement l exporter vers le projet Pour ne modifier que quelques vitrages : onglet caractéristiques des parois du module 2 de vitrage pour les vitrages concernés Pour modifier tous les vitrages : & modifier le type onglet composants importés du module 2 & modifier le type de vitrage standard de sorte que tous les vitrages seront modifiés Dans le cadre du TD, modifier les vitrages est et ouest. Onglet Composants importés du module 2 cliquer sur la composition à modifier la modifier dans la bibliothèque la ré-exporter vers le projet Onglet Fonctionnement/ Zones thermiques du module 3 double cliquer sur le scénario de ventilation actuel le modifier dans la bibliothèque le re-exporter vers le projet en changeant son nom vérifier son affectation aux zones concernées Présentation des résultats : Une synthèse de simulations est réalisée sous excel. Elle consiste à reporter pour chaque variante, les besoins en chauffage & en climatisation, les températures minimales et maximales sous forme de tableau. Enoncé de TD «Pléiades + Comfie» 14