Conception d'un système de ventilation décentralisée : retour d'expérience sur l'intérêt de la simulation thermique dynamique et de la CFD Luc Prieels, Greencom Projet GREEN+ Groupe de REcupération d ENergie sur l air vicié par un système double flux compact et intégré., promoteur et coordinateur ACTE Ulg (thermo, environt, Microsys, Cédia) TaiPro Engineering Sirris Cecotepe WOW company. 1
Final energy production by sector (Europe of 27) Contexte & enjeux Contexte: Minimiser le réchauffement climatique Diminuer notre dépendance énergétique traduction dans des directives européennes, dont PEB 20-20-20 Objectives in Europe 20% greenhouse gas emission reduction 20% renewable energy share in the EU energy mix 20% decrease of the energy consumption Transportation 70% from the residential sector Consommation d'énergie moyenne d'un ménage wallon Eau chaude sanitaire Appareils électriques Cuisson Eclairage Routier (voitures, motos, camionnettes) Avions Trains Bus Agriculture Industry Chauffage (+appoint) Buildings 2
Contexte & enjeux Enjeux dans la construction: Neuves cadre réglementaire de plus en plus exigeant Rénovation Incitants rénovation énergétiques, prix de l énergie, valorisation des biens immobiliers Etanchéité à l air Improving the building envelope tends to increase the relative part of the energy consumption due to ventilation. According to Roulet et al. (2001), more than 50% of the total energy losses can be due to ventilation losses, in building with a high thermal insulation. Isolation thermique Ventilation 3
Contexte & enjeux Objectif de la ventilation : 1. Nous vivons 70 à 90% du temps à l intérieur besoin d une qualité d air intérieure acceptable 2. Evacuation de l humidité, préservation du bâti Système de ventilation usuels: Naturelle : A 0,5.1 h -1! Extraction mécanique: C Key requirements - Warranty a proper IAQ - Without incomfort (velocities, t ) - Maintainable - Minimize the energy demand - HR - Free cooling - Easy to install (pre-calibrated) - Easy to use Double flux: D 4
Projet GREEN+: une nouvelle approche de la ventilation! vs. Pourquoi? - Facilité d installation (réno & neuf), absence de réseau de conduite, SFP - Maintenable & hygienic - à la demande pièce par pièce, rationnel - Pré-calibré, performance connue 5
Les défis techniques : Efficacité thermique du récupérateur de chaleur Compacité, l intégrabilité Efficacité de la ventilation (court-circuit) Bruit Esthétique COP L évaluation des gains, la performance globale La mesure des performances Les résultats : Une grille de ventilation double-flux pour châssis Une unité double flux murale 6
s thermiques dynamiques et CFD plusieurs niveaux, plusieurs approches progressives : 1) Efficacité thermique : HX : performances & distribution - Analytiques paramétriques dégrossissage - Analytiques décomposition en plusieurs éléments - Numérique CFD (milieu poreaux) et éléments unitaire d HX - Validation par mesure sur petits éléments stéréo lithographie 2) Efficacité de la ventilation (1 zone) - Analytiques (basés sur des effets connus) paramétriques dégrossissage - Numérique CFD (outil HVAC-Simuflow) par côté (intérieur / extérieur) - Validation par mesure en chambre climatique 3) Efficacité sur le bâtiment (modélisation dynamique multi-zone) - Approche simplifiée sur le bâtiment - Décomposition en plusieurs zones, profiles d occupation/contaminants, 7
SISAL : Modélisation dynamique multi-zone 8
1 0 Modélisation dynamique mullti-zone Exemple : Etudes cas pavillon, France, principales hypothèses : Géométrie globale du bâtiment (146m², K45, n50 = 6h-1, exposition au vent, ) Géométrie locale des zones (surfaces, volume, parois, ) Profil d occupation zone par zone (famille 4 pers, WE-Semaine, ) Débit : réglementation Pour le système centralisé : e=90%, installation parfaite Pour le système décentralisé : e=73%, Règle de régulation pour la ventilation à la demande, SPF, Métabolisme (fonction de l activité), émissions en contaminant Occupation living (n_occ_max=4) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 1 0 Occupation chambres (n_occ_max=4) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 9
Modélisation dynamique mullti-zone : exemples de résultats générés : ranking des pièces (Cas Rocourt) kwh/m².an 34,0 32,0 30,0 28,0 26,0 24,0 22,0 20,0 18,0 16,0 14,0 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0,0 Test sans récupérateur (n 50 = 5 h -1 ) Vue globale (consommations liées à la ventilation) - 34 % Test avec récupérateur (n 50 = 5 h -1 ) - 2 % Test avec récupérateur et régulation (n 50 = 5 h -1 ) Corridor Salle de bain Chambres Buanderie - 31 % Test à étanchéité élevée (n 50 = 1 h -1 ) 10
freq RH freq RH Modélisation dynamique mullti-zone : exemples de résultats générés : évaluation IAQ (cas 400 Rocourt) 500 400 300 200 100 0 0 20 40 60 80 100 500 400 300 200 100 Humidité relative (%) 0 0 20 40 60 80 100 Humidité relative (%) freq CO2 Sans régulation 350 300 250 200 150 100 50 Avec régulation freq CO2 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 700 600 500 400 300 200 100 Taux de CO2 (ppm) 0 0 400 800 1200 1600 2000 2400 Taux de CO2 (ppm) 11
Modélisation dynamique mullti-zone : exemples de résultats générés : ranking de systèmes de ventilation (Cas Français) Kwh/m²/an 60 50 40 30 20 10 0 Naturel Extractio n mécaniq ue Double flux centralisé e Kwh/an 7403 6463 4297 4819 Kwh/m²/an 50,6 44,2 29,4 32,9 Naturel Extraction mécanique Double flux centralisée Double flux décentralisée Double flux décentralisée 12
Conclusions : Conclusions Un outil de modélisation dynamique multi-zones a été réalisé pour permettre d étudier l impact des systèmes de ventilation, dont la double-flux décentralisée, sur le bilan énergétique du bâtiment. Ce modèle prend en compte les aspects thermiques et aérauliques du bâtiment. A ce stades, ces modélisations ont permis de mettre en avant les point suivants : Pour les systèmes A et C : effets dominants de la poussée d Archimède dans la cage d escalier Economie d énergie comparable entre D (avec récupération de chaleur) et Green+ (double-flux décentralisé avec récupération de chaleur). Dans le cas Green+, la régulation du débit via les sondes n apporte pas de réel impact sur les consommations d énergie liées à la ventilation, de même que pour la qualité d air. Dans le résidentiel, les pièces les plus intéressantes au niveau de la récupération de chaleur sont le living et les chambres, c est là que la plus grosse part du travail s effectue. La salle de bain n est pas en reste non plus avec une baisse de la consommation de quasiment 50 %, mais sur une consommation de départ relativement faible. Pour les autres travaux de modélisations CFD : au niveau de l HX et des études associées à la partie active elle-même, les méthodes CFD utilisées ont permis de mieux comprendre les écoulements internes (pertes de charges, débits, profils de vitesses). Les mesures et prédictions CFD sont généralement cohérentes. La CFD permet de gagner du temps sur l optimisation des géométries, mais n est pas utile pour définir une architecture de base. 13
Merci pour votre attention! Conclusions 14