Le Fonds Européen de Développement Régional et la Wallonie investissent dans votre avenir

Transcription

1 Le Fonds Européen de Développement Régional et la Wallonie investissent dans votre avenir SImulation Multi-physique du BAtiment Validation des outils de simulation dynamique en physique du bâtiment : Principes et exemples Geoffrey van Moeseke UcL Mathieu Barbason - ULg Copyright SIMBA Consortium All rights reserved

2 Importance de la validation Objectivation de la qualité des résultats Analyse de sensibilité et compréhension des mécanismes sous-jacents Outil formatif pour nouveaux opérateurs Développement d une analyse multicritère Précision Ressources nécessaires Type d approche selon la demande 2ème réunion du Comité d'accompagnement - 14/09/2010 Copyright SIMBA Consortium All rights reserved

3 Validation Etat des lieux Modèles CFD validés par comparaison avec des mesures ponctuelles Modèles multizones validés selon différentes procédures Source : Crawley et al. (2005) Contrasting the Capabilities of Building Energy Performance Simulation Programs 2ème réunion du Comité d'accompagnement - 14/09/2010 Copyright SIMBA Consortium All rights reserved

4 Validation Etat des lieux Chaque procédure valide une dimension particulière par la comparaison à des mesures dans des cellules de test ou à des modèles de références (en bleu) Charges thermiques ( ) ( ) Bâtiments solaire passifs et hybrides ( ) HVAC systems ( ) Solaire passif ( ) Solaire actif et HVAC basse énergie ( ) Transferts de vapeur ( ) whole building simulation programs test method (2001) solar passive design ( ) température intérieure en été sans refroidissement (2004) Source : Crawley et al. (2005) Contrasting the Capabilities of Building Energy Performance Simulation Programs 2ème réunion du Comité d'accompagnement - 14/09/2010 Copyright SIMBA Consortium All rights reserved

5 La validation en physique du bâtiment Traitements différents selon la nature du cas étudié Nécessité d une approche spécifique Nécessité d une approche globale 2ème réunion du Comité d'accompagnement - 14/09/2010 Copyright SIMBA Consortium All rights reserved

6 La validation en physique du bâtiment Phénomènes physiques Pièce unique Ventilation Mécanique Free Float Ventilation naturelle Paroi rayonnante Echelles de grandeur Imm. cloisonné Imm. Non-cloisonné Atrium 6

7 La validation en physique du bâtiment Validation indépendante de l outil utilisé Procédure : Description du cas Evaluation scientifique Analyse détaillée Analyse synthétique et indicateurs Evaluation sur base du potentiel d exploitation Analyse de la finalité du logiciel Forme d utilisation du logiciel 7

8 La validation en physique du bâtiment 8

9 La validation en physique du bâtiment 9

10 Exemple de l approche de validation

11 Exemple de l approche de validation

12 Exemple de l approche de validation Temperature [ C] ,5 21,2 21,7 22,2 21, North top North bottom Atrium South top South bottom Absolute difference Walker-TRNSYS , Absolute difference Relative difference Relative difference Walker-FLUENT Walker-TRNSYS Walker-FLUENT Top North % 1 % Bottom North % 1 % Atrium Top South % 2 % , Walker Trnsys Fluent Bottom South % 2 %

13 Exemple de l approche de validation La valeur obtenue en multizone ±0.5 représente 66 à 85% du volume des locaux, mais 63 à 100% des zones d occupation.

14 Résultats de l analyse multicritère Free Float Naturelle Forcée CFD Radiatif Cloisonné Vitré Free Float Naturelle Forcée Multizone Précision (1=faible, 5=élevée) Ressources temporelles modélisation (1=lent, 5=rapide) Ressources temporelles calcul (1=lent, 5=rapide) Ressources financières software (1=peu abordable, 5=très abordable) Ressources financières hardware (1=peu abordable, 5=très abordable) Qualification initiale (1=haut, 5=bas) Formations continuées (1=haut, 5=bas) Radiatif Cloisonné (licences commerciales) 3 (licences commerciales) à 2 1 à 2 Appréciation globale à 4 2 à 3 ré

15 Résultats de l analyse multicritère Free Float Naturelle Précision (1=faible, 5=élevée) Forcée Radiatif Cloisonné Vitré CFD Multizone Résultats non-physiques 2 Mauvais (>20% d erreur) 3 Bon (<20% d erreur) 4 Très bon (<10% d erreur) 5 Excellent (<5% d erreur) Net avantage pour la CFD: Moins de 10% d erreur relative dans tous les cas. Résultats plus contrastés pour le multizone suggérant des utilisations préférentielles : les cas les moins précis sont ceux mettant en jeu de grands mouvements d air

16 Résultats de l analyse multicritère Free Float Naturelle Forcée Précision Radiatif Cloisonné Vitré Plage de température constatée 9,7K 10,7K 5K 3,8K 6,1K 3K 13,5K Erreur absolue CFD 0.39K 0.91K 0.2K 0.2K 0.6K 0.4K 0.5K Erreur absolue multizone «best case» 0.2K 4.83K 0.6K 0.1K 3.72K 0.55K 0.6K

17 Résultats de l analyse multicritère Free Float Ressources temporelles modélisation (1=lent, 5=rapide) Naturelle Forcée Radiatif Cloisonné Vitré CFD Multizone (>600 ) 2 ( ) 3 ( ) 4 (10 30 ) 5 (0 10 ) Relative équivalence des outils en durée d encodage. Moins d une ½ journée dans presque tous les cas.

18 Résultats de l analyse multicritère Free Float Naturelle Ressources temporelles calcul (1=lent, 5=rapide) Forcée Radiatif Cloisonné Vitré CFD Multizone (>600 ) 2 ( ) 3 ( ) 4 (10 30 ) 5 (0 10 ) Net avantage pour les outils multizone. En CFD, l échelle du bâtiment demande un temps supérieur à 10h.

19 Résultats de l analyse multicritère CFD Multizone Free Float Ressources financières software (1=peu abordable, 5=très abordable) Naturelle Forcée Radiatif Cloisonné 1 (licences commerciales) 3 (licences commerciales) Vitré 1 (> ) 2 ( ) 3 ( ) 4 ( ) 5 Gratuit Net avantage pour les outils multizone.

20 Résultats de l analyse multicritère Free Float Naturelle Ressources financières hardware (1=peu abordable, 5=très abordable) Forcée Radiatif Cloisonné Vitré CFD Multizone Cloud Computing (Infrastructure spécifique de haut niveau 8 processeurs) 2 Approche Parallèle 1 Poste (Infrastructure spécifique) 3 Ordinateur de calcul (Infrastructure traditionnelle) 4 Ordinateur Fixe Classique (Infrastructure traditionnelle) 5 Tout support Net avantage pour les outils multizone.

21 Résultats de l analyse multicritère Free Float Naturelle Qualification initiale (1=haut, 5=bas) Forcée Radiatif CFD 1 à 2 Multizone 2 à 4 Cloisonné Vitré 1 Connaissance précise des aspects de simulation en physique du bâtiment et de mécanique des fluides 2 Connaissance avancée en simulation de la physique du bâtiment 3 Bonne connaissance en physique du bâtiment 4 Accessible aux personnes du métier (ingénieurs et architectes) 5 Tous publics Expertise importante demandée par les outils CFD. Pour le multizone, le niveau de maîtrise technique requis est variable selon les outils.

22 Résultats de l analyse multicritère Free Float Naturelle Formations continuées (1=haut, 5=bas) Forcée Radiatif CFD 1 à 2 Multizone 2 à 3 Cloisonné Vitré 1 Formation régulière 2 Formation spécifique au logiciel à chaque mise à jour importante 3 Formation spécifique au logiciel (une fois) 4 Formation générale à la physique du bâtiment 5 Accessible sans formation Les évolutions actuelles de la CFD nécessitent une mise à jour régulière des compétences de l opérateur. Les mises à jour dans le cas multizone sont liées à nouvelles interfaces et peu aux nouveaux développements.

23 Résultats de l analyse multicritère Free Float Naturelle Forcée Appréciation globale Radiatif Cloisonné Vitré CFD Multizone Impossible à exploiter 2 Difficile à exploiter pour une majorité d acteur du marché 3 Exploitable dans certaines circonstances (acteur, moyen, projet) 4 Exploitable dans une majorité de cas par tous les acteurs du marché 5 Exploitable en toute circonstance Les coût et l expertise de la CFD jouent en défaveur de ce type d outil par ailleurs de grande précision et qualité approche de type consultance par des spécialistes. Les outils multizones sont suffisamment souples et accessibles pour être diffusés à plus large échelle. Mais leur précision n est pas garantie dans tous les cas.

24 Conclusions Pas d outil idéal. Prudence vis-à-vis du multizone, du fait de ses limitations intrinsèques. Difficulté de modélisation: des grands débits d air naturels (free cooling, night cooling, ) des échanges convectifs aux parois (valorisation de l inertie thermique) Or, ces applications sont souvent celles pour lesquelles le passage au multizone est envisagé.

25 Conclusions Pas d outil idéal. La CFD est une alternative lorsqu une précision importante est nécessaire, allant au-delà de l aide à la conception (expertise, validation, ). Cet outil s adapte à toutes les circonstances et permet des simulations complexes et diverses. La CFD peut également servir pour les écoulements externes.