L ' E N V I R O N N E M E N T À T R A V E R S L A S I M U L A T I O N N U M É R I Q U E : D E L ' I N G É N I E R I E D U B Â T I M E N T

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Georgette Lefebvre
il y a 8 ans
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1 L ' E N V I R O N N E M E N T À T R A V E R S L A S I M U L A T I O N N U M É R I Q U E : U N E N O U V E L L E P R A T I Q U E D E L ' I N G É N I E R I E D U B Â T I M E N T Pour les bâtiments et à l'échelle des territoires, ALTO Ingénierie développe l'étude de projets dans le cadre de la démarche HQE (Haute Qualité Environnementale), dans laquelle les thèmes de la gestion de l'énergie, du confort hygrothermique et du confort visuel sont fondamentaux. Avec une forte préoccupation pour la conception des bâtiments, leur fonctionnement, la maîtrise de leurs coûts d'exploitation et de maintenance, nous apportons aux maîtres d'ouvrage des prestations spécialisées pour garantir la maîtrise globale de l'impact environnemental de leurs projets. Pour ce faire, nous recourons à l'utilisation de codes de calculs et d'outils de simulation numérique du comportement des bâtiments et des systèmes. Ces logiciels permettent d'améliorer la Qualité Environnementale des ouvrages, d'optimiser leurs performances énergétiques, de réduire les coûts d'exploitation du bâtiment, tout en garantissant le confort des occupants. Cette activité d ALTO Ingénierie est soutenue par l ANVAR (Agence Française de l Innovation).

confort hygrothermique et du confort visuel sont fondamentaux.

2 PRÉSENTATION SOMMAIRE DES LOGICIELS <VE> est utilisé en aide à la conception des projets pour la recherche et la validation de dispositions architecturales permettant d'économiser l'énergie et pour caractériser les VIRTUAL ENVIRONMENT performances en terme de confort (température, humidité, facteur de lumière du jour, etc.). Il est particulièrement utile au cours des phases Esquisse, Avant Projet Sommaire (APS) et Avant Projet Définitif (APD). Le logiciel CA-SIS permet : de comparer plusieurs solutions techniques énergétiques ; de faire des études de sensibilité à différents paramètres ; d'optimiser les modes de fonctionnement, voire de détecter des dysfonctionnements sur un système existant. CA-SIS CA-SIS est utilisé en phases APS et APD pour les opérations de construction et à tout moment pour les bâtiments existants. Fluent est un logiciel de CFD permettant d'étudier des problématiques particulières (calcul des champs de température et de vitesse d'air, détermination des FLUENT phénomènes de convection naturelle mixte et forcée, etc.). Les études Fluent nécessitent souvent des données précises disponibles à partir du début de l'apd, mais des principes généraux peuvent être validés dès le concours.

Il est particulièrement utile au cours des phases Esquisse, Avant Projet Sommaire (APS) et Avant Projet Définitif (APD).

3 VIRTUAL ENVIRONMENT <Virtual Environment>, édité par IES Software Ltd, est un logiciel d'aide à la décision permettant une approche holistique de la simulation et de la conception. <Virtual Environment> permet une évaluation rationalisée du projet, aidant ainsi à orienter le projet vers des objectifs de confort, d'économie, de performance et de qualité environnementale. L'ingénieur peut ainsi proposer et justifier une Simulation <VE> de la bibliothèque Universitaire du Havre disposition architecturale, un type de matériau ou une stratégie de ventilation optimisant le confort et diminuant les consommations d'énergie (ex : suppression du système de climatisation). A partir d'un module central, dans lequel est créée la géométrie du bâtiment, et des données climatiques horaires du lieu, les applications <VE> permettent de mener, pour chacun des locaux : des simulations solaires permettant de visualiser l'impact du soleil à l'intérieur des locaux et les ombres portées des bâtiments alentours ; des simulations thermiques : calcul des températures intérieures, des humidités relatives, des apports solaires, efficacité des ventilations naturelle et mécanique, etc. ; des simulations lumière : calcul du facteur de lumière du jour, définition des moyens à mettre Visualisation du modèle étudié pour la simulation solaire de la Cantine Scolaire de Lompret en œuvre pour l'éclairage artificiel. <VE> est également composé de modules plus spécifiques permettant par exemple d'effectuer le calcul du coût global du bâtiment, de dimensionner les gaines et tuyaux, etc.

L'ingénieur peut ainsi proposer et justifier une Simulation <VE> de la bibliothèque Universitaire du Havre disposition architecturale, un type de matériau ou une stratégie de ventilation optimisant

4 CA-SIS A partir d'une bibliothèque éprouvée de modèles (bâtiments, conditions météorologiques, etc.), CA-SIS permet de simuler le fonctionnement de systèmes thermiques (production centralisée, distribution hydraulique, appareils terminaux), d'analyser leur mode de gestion et de déterminer les coûts énergétiques associés. Au cours de la conception, durant l'aps et l'apd, CA-SIS permet : d'estimer de manière prédictive et d'analyser les besoins énergétiques du bâtiment ; de mesurer l'incidence du choix du système sur la facture énergétique ; de répondre aux questions : Combien ça coûte? Quelle solution est la plus rentable en coût global? Pour les bâtiments existants, CA-SIS permet : d'optimiser le mode de fonctionnement de l'installation en jugeant de l'influence des différents paramètres sur ses performances globales ; d identifier des dysfonctionnements éventuels ; de déterminer des solutions de remplacement. CA-SIS est aussi un outil performant pour simuler des solutions telles que les énergies renouvelables (solaire thermique, photovoltaïque, etc.). L'architecture du logiciel autorise en effet de coupler CA-SIS à des modules issus du logiciel TRNSYS. Ainsi, le logicie PILESIM, édité par l'epfl (Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne), permet de modéliser le fonctionnement d'un système de pieux échangeurs (pieux énergétiques) afin d'en évaluer la performance. Etude type CA-SIS

5 FLUENT FLUENT est un logiciel de la catégorie des outils de C.F.D. (Computational Fluid Dynamics), intégrant un code de calcul de mécanique des fluides, commercialisé par la société éponyme. Ce code de calcul est répandu et réputé dans le secteur industriel. Il permet de délivrer des informations très précises pour le bâtiment : la détermination de champs de températures, de vitesses d'air et d'indices des conditions de confort (PMV et PPD) ; l'étude des écoulements aérauliques internes et externes au bâtiment ; la conception et l'analyse détaillée des systèmes de ventilation ; l'étude des phénomènes de convection naturelle, forcée et mixte ; l'étude des échanges radiatifs entre parois ; Etude thermique Fluent du Cristal du Musée des Confluences - Lyon l'étude des phénomènes de contamination, i.e. la répartition de polluants et l'évolution des concentrations d'une espèce. Le logiciel est composé de plusieurs modules correspondant aux différentes étapes du déroulement d'une étude : PRÉ-PROCESSING Définition de la géométrie du bâtiment ou du local étudié Récupération de fichiers issus de CAO - Importation Réalisation du maillage associé MODULE DE CALCUL Définition des conditions limites (fixes ou variables dans le temps) Analyse en régime permanent ou instationnaire Prise en compte des écoulements laminaires ou turbulents POST-PROCESSING Visualisation des résultats sous forme de cartographies (vitesse, température, pression, indices de confort) Possibilité de créer des animations (sens de l'écoulement, trajectoires de particules, etc.)

Il permet de délivrer des informations très précises pour le bâtiment : la détermination de champs de températures, de vitesses d'air et d'indices des conditions de confort (PMV et PPD) ; l'étude des

6 PARMI NOS RÉFÉRENCES G A R E S T G V E S T 2003 Maître d Ouvrage : SNCF Direction du Développement des Gares Architecte : APG Agence d Etudes des Gares SHON : m² Mission : Les deux composantes de l'étude réalisée à l'aide de <VE> ont été l'architecture bio climatique et le confort des occupants (visuel et hygrothermique). Les résultats des simulations numériques ont permis la définition des performances thermiques des enveloppes, des systèmes et des protections solaires, dans le respect des exigences de confort et d efficacité énergétique. Grâce à la modélisation des bâtiments et abris de quais, nous avons aussi pu comparer plusieurs scénarios d'exploitation. C E N T R E A D M I N I S T R A T I F D E S M U R E A U X 2003 Maître d Ouvrage : Mairie des Mureaux Architecte : Atelier JL Hesters SHON : m² Mission : L étude réalisée avec CA-SIS nous a permis de comparer plusieurs solutions techniques pour le chauffage, la ventilation, et la climatisation à l aide d une étude multi-critères (coût global, émissions de CO 2 ). Réalisée dans le cadre d une démarche HQE, cette opération nous a également permis d optimiser l utilisation de diverses sources d énergies renouvelables (thermofrigopompe sur nappe, capteurs photovoltaîques, eau chaude sanitaire solaire). M U S É E D E S C O N F L U E N C E S À L Y O N Maître d Ouvrage : Conseil Général du Rhône Architecte : Coop Himme(l)blau Travaux : 60,7 M H.T. SHON : m² Mission : L outil de CFD Fluent a été utilisé pour déterminer les conditions obtenues dans le Cristal, vaste volume d accueil vitré. Une étude itérative basée sur les indices de confort (PMV, PPD) et les températures a permis de déterminer les positions et dimensions des ouvrants de ventilation naturelle. De plus, compte tenu du système énergétique mis en oeuvre, Fluent a permis de caractériser les conditions de confort obtenues dans différentes zones pour différentes conditions extérieures. E T A U S S I : Entrepôts C40-C41 à Gennevilliers - Piscine de Tours - Centre Culturel de Taverny - Etude technico-économique des systèmes ENR dans le secteur du logement - Bâtiment de l Esplanade à Chambéry - Centre Commercial Grand Bazar à Lyon - Bibliothèque Multimédia de St Germain en Laye - Centre d accueil pour adultes audistes à Bullion - Espace de Communication Citroën sur les Champs-Elysées à Paris - Espace de Spectacle de Bressuire - etc.

Les résultats des simulations numériques ont permis la définition des performances thermiques des enveloppes, des systèmes et des protections solaires, dans le respect des exigences de confort et d

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