Prédiction des performances thermo-aérauliques des bâtiments par association de modèles de différents niveaux de finesse au sein d'un environnement orienté objet

Laurent Mora (1)

1 Laboratoire d'Etude des Phénomènes de Transfert Appliqués au Bâtiment (LEPTAB)

The design of innovative HVAC systems, as well as the evaluation of the comfort of occupants requires a detailed estimation of airflows and heat transfers within building zones. Zonal and CFD methods can in principal provide such details, but in practice they are difficult to apply to study a whole building over long periods of time. In this study, we propose a new simulation platform based on the object oriented simulation environment SPARK to treat most of building zones using the nodal approach. This modeling method considers each zone as a fully and instantaneously well mixed volume. In this case, each zone can be characterized by a unique computational node where temperature, pressure and concentration are determined. Then, some specific rooms are studied with more details. In order to see the impact of these details on the entire building model, we propose different coupling methods depending on models associations between the nodal approach, and zonal or CFD room models. After a brief presentation of the different modeling methods used in this study, we attempt to demonstrate the interest to use one method instead of another depending on the room characteristics or the modeler's objectives. We then present the developed platform in which we solve both nodal and zonal models, and we couple detailed room models with the first method. Finally, a few applications demonstrate some capabilities of the developed platform to not only adjust the level of detail for each room model, but also propose new ways of research. In fact, the last application shows a new coupling method between zonal and CFD methods. In this approach, the first method acquires the airflow structure from results obtained using a CFD model in the room. Consequently, the developed platform has numerous applications, to study the dynamics of heat and mass transfers in buildings as well as in their immediate surroundings.

La conception de systèmes énergétiques innovants et la caractérisation du confort des occupants requièrent de d'être capable d'estimer les détails des écoulements et des transferts de chaleur au sein des zones des bâtiments. Les méthodes de modélisation permettant d'estimer ces détails, telles que les méthodes zonales et CFD, sont difficilement applicables à l'étude d'un bâtiment dans son ensemble et sur de longues périodes de temps. Notre étude consiste à proposer une plate-forme de simulation permettant dans un premier temps de traiter la plupart des zones du bâtiment et de son enveloppe à l'aide de l'approche nodale qui considère chacune des zones comme un volume parfaitement uniforme. Chaque zone est alors caractérisée par un seul noeud de calcul où sont déterminées les variables d'états (température, pression, concentration, etc.). Ensuite, il s'agit d'étudier les détails au sein d'un nombre limité de zones et d'estimer l'impact de ces détails sur le comportement global du bâtiment. Ainsi, nous proposons différentes méthodes de couplage entre d'une part la méthode nodale et d'autre part, les méthodes zonales et CFD. Après avoir présenté les différentes méthodes de modélisation retenues pour la détermination des transferts de masse et de chaleur dans les bâtiments, nous tentons de montrer l'intérêt d'utiliser l'une plutôt qu'une autre en fonction, des spécificités de chacune des zones, et de l'étude à effectuer. Ensuite, nous exposons la plate-forme de simulation développée, permettant de mettre en oeuvre aussi bien les approches nodales et zonales, que les différentes procédures de couplage dépendant du type d'association de modèles. Enfin, différentes applications viennent confirmer les capacités offertes par la plate-forme, pour moduler le niveau de finesse des modèles utilisés pour représenter chacune des zones d'un bâtiment, mais aussi pour proposer de nouvelles orientations de recherche. En effet, la dernière application présente une approche de couplage entre les approches zonale et CFD, dans laquelle la première tire la connaissance de la structure de l'écoulement de la seconde. L'outil développé apporte de nombreuses possibilités d'applications, aussi bien pour la caractérisation du bâtiment lui-même que de son intégration dans son environnement immédiat.

Mots clés: simulation; bâtiment; thermo-aéraulique; CFD; nodal; zonal; SPARK; orienté objet

Domaines: Sciences de l'ingénieur [physics]

Laurent Mora. Prédiction des performances thermo-aérauliques des bâtiments par association de modèles de différents niveaux de finesse au sein d'un environnement orienté objet. Sciences de l'ingénieur [physics]. Université de la Rochelle, 2003. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00003984⟩