RESUME DU PROJET DE FIN D ETUDES CONCEPTION D UN OUTIL POUR LA DETERMINATION DU FACTEUR SOLAIRE D UNE FAÇADE COMPLEXE La détermination de l apport de chaleur par rayonnement solaire constitue un aspect essentiel de l étude énergétique d un bâtiment. La maitrise des gains solaires est le fondementmême des stratégies passives des projets performants. A ce titre, le bureau d études VS-A a souhaité, à travers ce projet de fin d études, approfondir la question de la détermination du facteur solaire d une façade complexe. Caractérisation du rayonnement thermique Réflexion (BRDF) Transmission (BTDF) Absorption ρ λ (θ i, ψ i ; θ r, ψ r ) τ λ (θ i, ψ i ; θ t, ψ t ) α λ (λ, Δ, T p ) Caractérisation du rayonnement solaire Le spectre solaire atteignant la surface de la Terre est composé de rayons du domaine des ultraviolets, du visible et de l infrarouge proche. Il est affecté principalement par les phénomènes d absorption et de diffusion atmosphériques. η A z La variation spatiotemporelle de la position solaire engendre une fluctuation significative de l énergie solaire incidente reçue par un plan récepteur suivant les saisons et l orientation. Points de vigilance Extrême sensibilité des phénomènes physiques entrant en jeu dans le calcul du facteur solaire Problématique mêlant une dimension à la fois géométrique et thermodynamique Elève : Huet Séverine Tuteur INSA : Benjamin Latour 1
Définition du facteur solaire F avec : F = T + q i. A T la part d énergie solaire transmise directement A la part d énergie solaire absorbée q i la portion d énergie réémise vers l intérieur Composition du système étudié Système de vitrage parfois muni de couches de contrôle solaire Protections solaires aux géométries et matériaux variés. Position variable selon les configurations. Enjeu de l outil Permettre l étude de protections solaires aux géométries et aux matérialités multiples Fournir une valeur de facteur solaire en fonction de la direction d incidence Prendre en compte les caractéristiques spectrales du système Etre fonctionnel et évolutif Technique du ray-tracing Algorithme de lancer de rayon à travers une géométrie affectée d un matériau réplique virtuelle des bancs de mesures expérimentales pour la génération de données énergétiques bidirectionnelles Méthode de Klems Calcul matriciel permettant de déduire les données BSDF de l'ensemble d un système composé de plusieurs couches, à partir des données BSDF de chaque couche détermination du facteur solaire en fonction de l angle d incidence en prenant en compte les inter-réflexions des rayons entre les couches et le phénomène d absorption énergétique au sein du système. Données BSDF d un système Les données BSDF d un système représentent ses propriétés bidirectionnelles. Deux hémisphères sont discrétisés en N patch correspondant à N directions. Le ratio de la luminance sortante sur l éclairement incident est ainsi défini pour chaque direction incidente et sortante par une matrice N x N Hémisphère 1 Couche i Hémisphère 2 j ème patch sortant i ème patch incident Elève : Huet Séverine Tuteur INSA : Benjamin Latour 2
Dans le cas de la base de Klems, 145 directions sont définies : τ i (θ 1 i, ψ 1 i ; θ i 1, ψ i 1 ) τ i (θ 1 i, ψ 1 i ; θ i 1, ψ i 1 ) τ i = ( ) = BTDF de la couche i τ i (θ 145 i, ψ 145 i ; θ i 1, ψ i 1 ) τ i (θ 145 i, ψ 145 i ; θ i 1, ψ i 1 ) ρ f i (θ 1 i, ψ 1 i ; θ i 1, ψ i 1 ) ρ f i (θ 1 i, ψ 1 i ; θ i 1, ψ i 1 ) ρ i = ( ) = BRDF de la couche i ρ f i (θ 145 i, ψ 145 i ; θ i 1, ψ i 1 ) ρ f i (θ 145 i, ψ 145 i ; θ i 1, ψ i 1 ) Chaque matrice est spécifique, elle représente soit : Les propriétés de réflexion (BRDF) de l objet pour un rayonnement issu de l hémisphère 1, désignées par ρ i f pour «front reflexion» Les propriétés de réflexion (BRDF) de l objet pour un rayonnement issu de l hémisphère 2, désignées par ρ i b pour «back reflexion» Les propriétés de transmission (BTDF) de l objet pour un rayonnement de 1 vers 2, désignées par τ i f pour «front transmission» Les propriétés de transmission (BTDF) de l objet pour un rayonnement de 2 vers 1, désignées par τ i b pour «back transmission» Conception de l outil Principe de l outil Dans le cas d une configuration standard, une base de données BSDF définissant des dispositifs proposés par les fabricants de vitrages et de protections solaires types est disponible Dans le cas d une configuration arbitraire, l utilisation de genbsdf permet de générer des données BSDF à partir d une géométrie modélisées sur un logiciel de CAD et des données BSDF contenues dans le matériau affecté. Ces matériaux sont issus d une base de données BSDF spécifique. A partir des quatre matrices BSDF de chaque couche, la méthode de Klems permet de déterminer le facteur solaire de l ensemble en fonction de l angle d incidence du rayonnement. Elève : Huet Séverine Tuteur INSA : Benjamin Latour 3
Environnement genbsdf VB#1 : Générateur de géométrie Radiance VB#2 : Exportateur de géométrie Radiance affectée d un matériau VB#3 : Définition des paramètres de simulation VB#3 : Lancement de l algorithme du ray-tracing de genbsdf Algorithme de calcul de l outil Klems Elève : Huet Séverine Tuteur INSA : Benjamin Latour 4
Validation de l outil Système diffusant : DV + store toile extérieur Système spéculaire : DV + store vénitien intérieur Système arbitraire : génération de données BSDF d un store vénitien via genbsdf du patch 1 (incidence normale) du patch 64 (incidence à 40 ) du patch 52 (incidence à -40 ) Ces simulations ont permis de valider l outil dans son ensemble Note : Des améliorations seront apportées au cours des mois de Juin et Juillet notamment sur l accès aux données BSDF et le traitement automatique de celles-ci. Elève : Huet Séverine Tuteur INSA : Benjamin Latour 5