Analyse du cas TEELOCK ASSOCIATES

Harry BOYER – Resp. Equipe Génie Civil Thermique Habitat

I) Le contexte L’activité de recherche de l’équipe Le logiciel de simulation CODYRUN

II) Le label ECODOMHistorique et objectifsLes principes

III) Application au cas TEELOCK ASSOCIATESSimulations CODYRUNL’application du label

Thématique du groupe

Modélisation de l’habitat et des systèmes associés1) Evolution de l’outil spécifique CODYRUN

2 ) Environnement TRNSYS

3 ) Modélisation hybride en thermique de l’habitat

4) Approche automatique des systèmes d’état

Validation et expérimentation1 ) Cellule Expérimentale LGI

2 ) Expérimentation de systèmes de traitement d’air

3) Expérimentation de sites réels

4 ) Automatique appliquée à la mesure

Applications en conception1) Le label ECODOM

2) Nouveaux procédés d’isolation (Isolants Minces Réfléchissants) dans l’habitat

I) Le contexte

Modélisation, expérimentation, validation, applications

CalculMesures

Météo

CODYRUN et son application

Maillage du problème thermique

Mailleur

0000000000

00KK 000000

00K K000000

0000KK 0000

0000K K0000

000000KK 00

000000K K00

00000000KK

00000000K K

7,87,8

5,65,6

3,43,4

1,21,2

Le modèle aéraulique

Building

OpeningsZones

Opening ={ i, PO, z1, z2, h, k, S, n,… … j, GO, z1, z2, h, w, Cd, … … l, VMC, z1, q, …}

La modélisation multimodèle

CODYRUN

base dwelling Ecodom dwelling

Température (°C°

Day temp

Night temp

Peak temp

• logements types

• Pas de temps horairre

• Prescriptions d’aide à la conception

• modélisation détaillée

• Pas de temps minute

Puissance frigorifique totale (kW)

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23Temps (Heure)

Modèle 0

Modèle 1

Modèle 2

Mesure

Présentation du logiciel de simulation thermique

• Outil multizone • Outil multimodèle– Transferts aérauliques– Température du ciel – Convection extérieure– Rayonnement diffus– Convection intérieure– Echanges GLO intérieurs– Conduction

Zone 4Zone 3

Zone 2Zone 1

Le modèle global du bâtiment

Bibliothèque de modèles

• Transferts aérauliques

Description du bâtiment : les concepts

Zone 4Zone 3

Zone 2Zone 1

• Orientation recherche et conception

• Description hiérarchique

Sollicitationsmétéorologiques

tTempératuresPuissancesHumiditésDébits aérauliquesEnergies

interambiances composants

composants

bâtiment

Les atouts logiciels de CODYRUN

• possibilité d’intégrer de façon détaillée des masques proches

Calcul

Météo

CODYRUN

1 48 95 142 189 236 283 330 377 424

Time step (30 mn)

) CODYRUN measures

• gestion de bibliothèques

• choix du fichier météo • simulation en thermique ou

en thermo-aéraulique

• choix des modèles physiques adéquats

• possibilité d’intégrer des systèmes de traitement d’air

• une aide est disponible

• interface conviviale et environnement PC

L’évolution de CODYRUN …

• Environnement TRNSYS

utilisé par + de 200 laboratoires (développement partagé)

- concept modulaire d’assemblage de blocs avec solveur intégré

- UNE seule possibilité de bâtiment multizone SANS AERAULIQUE

Plan de la présentation du label

II) Elaboration d ’un label de conception thermique des bâtiments dans les départements d ’Outre-Mer La MDE dans les DOM• L ’opération expérimentale ECODOM• Méthodologie• Résultats• Suivi expérimental

La MDE dans les DOM

Méthodologie-Historique

Identification des différents contextes :EnergétiquesClimatiquesSociologiques

Positionnement / réglementation métropole

Mise en place d ’un groupe de travail local et nationalUniversité, EDF, DDE, ADEME, Promotelec, Ministères, CSTB

Architectes, BETMaîtres d ’Ouvrage sociaux et privés

Economistes de la construction

Identification des logements typeIdentification des journées type

Identification des critères de comparaison et d ’analyse (énergétique, confort)

Simulations sur les logements type retenusProcédure de simulation avec CODYRUN

Expertise des réponses thermo-aérauliquesAnalyse des résultats de simulation

Choix de solutions techniques performantesMise en place d ’un document de référence

Faisabilité technico-économiqueRecherche d ’opérations labélisables

Formation, communication, sensibilisation

200 logements labelisés3 opérations expérimentales ECODOM

Suivi sociologique et expérimental Intervention amont

19971999

Les objectifs d ’ECODOM

• Amélioration du confort thermique dans les logements neufs• Economies d ’énergie• Rapprochement entre les acteurs de la profession• Edition d’ un document de travail simple, pédagogique et

compréhensible par tous

Le label ECODOM

• Label sur les logements neufs : amélioration du niveau de confort

• Prescriptions sur cinq points du logement

• Implantation sur le site• Protection solaire de l ’enveloppe

(toiture, parois opaques, ouvertures)• Ventilation naturelle• Production d ’ECS• Chambre climatisée

Récapitulatif des simulations effectuées

Logements typeIndividuel : Maison F4/5Collectif : T3/4

Logement collectifLogement lourd

Etude en Etude en Dimensions Etude en Etude en

Couleur Isolant température puissance du débord température puissancefoncée 0 cm x x Pas de débord x xalpha = 0.7 5 cm x x d/(2a+h) = 0.25 x x

10 cm x x d/(2a+h) = 0.5 x xclaire 0 cm x x d/(2a+h) = 0.75 x xalpha = 0.4 5 cm x x d/(2a+h) = 1.75 x x

10 cm x x Lames mobiles opaquesx x

Traitement Couleur Etude en Etude en Perméabilité Etude en Isolation température puissance extérieure intérieure température

0 cm x x 15% 15% x

2 cm a = 0.4 x x 15% 25% x

4 cm et 0.7 x x 15% 40% x

Protection par débord 25% 15% x

d/h = 0.25 x x 25% 25% x

d/h = 0.50 a = 0.4 x x 25% 40% x

d/h = 0.75 et 0.7 x x 40% 15% x

d/h = 1 x x 40% 25% x

40% 40% x

Comparaison Logement Base / Logement ECODOM

Protection solaire de la toiture Protection solaire des vitrages

Ventilation naturelleProtection solaire des parois

Option chambre climatiséeCas réel

Logement léger

Protection solaire

TOITURES SIMPLES ISOLEES

Couleur toitureIsolant type polystyrènel = 0.041 W.m -1.K-1

Isolant type polyuréthane l = 0.029 W.m -1 .K-1

claire ( a = 0.4) 5 cm 4 cm

moyenne ( a=0.6) 8 cm 6 cm

foncée ( a = 0.8) 10 cm 8 cm

TOITURES AVEC COMBLES FORTEMENT VENTILES

Couleur toitureIsolant type polystyrènel = 0.041 W.m -1 .K-1

Isolant type polyuréthanel = 0.029 W.m -1 .K-1

claire ( a = 0.4) pas d’isolation nécessaire

moyenne ( a=0.6) 2 cm 0 cm

Orientation des fenêtresLocalisation Est Sud Ouest Nord

Ile de la Réunion 0.8 0.3 1 0.6

Valeurs de d/(2a+h) cas1, ou d/h cas2

• Protection solaire de la toiture

• Protection solaire des ouvertures

Résultats - Protection solaire des parois opaques

Résultats - ventilation naturelle

ECODOM : les suites

• 500 logements labellisés à ce jour

• Retour d’expérience

• Evolution vers un label à points

=> Evolution des prescriptions

Définition des zones du bâtiment

III) Application au cas d’étude

Définitions des Interambiances du bâtiment

(11 Interambiances)

Définition des composants du bâtiment

50 composants

• Parois• Vitrages• Ouvertures• Eclairage• Occupants

Un exemple de composant : une paroi

Un exemple de composant : un vitrage

L’interface et la saisie dans CODYRUN

• La saisie se fait au moyen de

fenêtres

• Les divers boutons permettent de descendre dans l’arborescence du logiciel

bâtiment

interambiance1interambiance2

interambiance3

Zone 1Zone 2

Composant 1Composant 2

Composant 3

Paroi 1Paroi 2

vitrage

Étude des logements par simulation numérique

• Choix de la séquence météorologique• Répartition du rayonnement• Efficacité des masques• Comparatif traditionnel/SCPR• Ventilation naturelle cas SCPR• Approche confort• Ventilation des hourdis

Choix de la séquence météorologique

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10Jour julien

Ray. Sol. Direct

Ray. Sol. Dif..

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Jour julien

Tair Ext.

Hum.Rel.Ext.

Rayonnement incident sur Dalle terrasse

• Zone étage : Répartition du rayonnement incident (Wh), Est Ouest

Distribution du rayonnement direct sur les différentes parois

paroi étage est

paroi étage ouest

paroi étage nord

paroi étage sud

toiture

(surfaces et la course du soleil)

En raison de la porosité importante du logement, la toiture est le siège de ¾ des apports

radiatifs à l’étage

Répartition du rayonnement sur les parois vert. / effet des masques

• Une première indication des sollicitations solaires …

• … mettant en évidence le rôle protecteur des espaces extérieurs

Efficacité des masques sur la façade EST

Facteur solaire de la vitre living

4 5 6 7 8 9 10 11

Heures

Facteur solaire de la vitre chambre1

4 5 6 7 8 9 10 11

Heures

Effet de l’orientation du bâtiment

• Pas de direction privilégiée par rapport à la réponse thermique (pour des couleurs claires)

Températures à l'étage

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

Heures

Nord/Sud Est/Ouest

Rayonnement direct incident zone Etage : Comparaison NS/EO

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

Heures

Nord/Sud Est/OuestTransmission /

vitrages

Absorption / Parois

Présentation de la constitution des logements Traditionnel & SCPR

Dalle béton Dalle poutrelles & hourdis

Différence majeure : Résistance thermique de l’enveloppe

Comparaison bâtiments fermés SCPR/ Traditionnel

Jour 8

• Rôle alternatif de la résistance de l’enveloppe du bâtiment la journée : limitation des apports par conduction (abs. ray solaire,conduction) la nuit : limitation des déperditions (Tint élevées, Text plus basse)

Attention BTM fermés, absorptivité dalle faible (0.4, couleur claire)

SCPR => Tendance à lisser les températures de l’Etage

Effet de l’isolation de la toiture (0.4)

3 4 5 6 7 8 9 10

Jour Julien

Bâtiment traditionnel : RDC

Bâtiment SCPR : RDC

• Sur ces cas, le rajout de l’isolation tend à dégrader les conditions intérieures

3 4 5 6 7 8 9 10

Jour Julien

Bâtiment traditionnel : Etage

Bâtiment SCPR : Etage

• En terme de bilan d’énergie, solde moins avantageux pour le cas SCPR

Effet de la couleur de la Dalle

Trés 2 ETAGE, hourdis non ventilés, RDC et ETAGE fermés, Dalle sombreTrés 2 (Etage ), Dalle claire Trés 2 (Etage ), Dalle sombre + 10 cm IsolantTair ext

Comparaison bâtiment SCPR ouvert et fermé au Rez-de-chaussée

SCPR ouvert

4 °C d’écart entre le cas ventilé et celui non ventilé

SCPR fermé

Ventilation naturelle : les débits échangés

-400 -200

0 200 400 600 800

1000 1200

4 5 6 7 8 9 10 Jour julien

Debit vitr. oues : SCPR Deb vitr. ouest : Traditionnel

• Quelle que soit la constitution, la porosité (24 et 28 %)assure des débits importants

Approche confort SCPR/Traditionnel

Exploitation du diagramme de Givoni

15 20 25 30 35 400

0.025Evaluation du confort thermique à l'intérieur du batiment (rez de chaussée)

Temperature (°C)

Zone de confortavec ventilation naturelle

70% 100%

Zone de confort

Température (°C)

Dans le cas ouvert, pas de possibilité d’appréciation du gain en confort

Approche par l’indice PMV*

1 18 35 52 69 86 103

PMV*19ET

PMV*15ET

L'indice PMV* : 9 niveaux (-3) Très froid(-2) Froid(-1) Légèrement froid(0) Ni froid, Ni chaud(1) Tiède léger acceptable(2) Tiède léger désagréable(3) Chaud tolérable(5) Très chaud(6) Intolérable

- La température d’air- La température radiante moyenne- La vitesse d’air - L'humidité relative - L’activité- La vêture

Indice PMV * pour l’étage, cas 1m/s

Etude de la ventilation naturelle des hourdis

Extérieur

Zone ETAGE

Zone VIDE d’AIR Inter-ambiance avec du béton lourd

Zone RDC

Modification du zonage, ajout de composants, …

Ventilation des hourdis : résultats en température

Diminution de 2°C si dalle de couleur

sombre

Application du label sur le cas TEELOCK (1)

Isolation toiture :10 cm polystyrène

Protection Baies :Augmenter de 50

cm le débord façade Ouest

Protection Baies :Augmenter de 20

cm le débord façade Est

Application du label sur le cas TEELOCK (2)

Agencement intérieur :Augmenter porosité de

0.75 m²Prévoir des blocs porte

Isolation murs façade Sud

1 cm polystyrèneAttentes Brasseur d’air dans pièces

de vie

Synthèse ECODOM

Conclusion

• Le cas TEELOCK Associates ?

Conception thermique initiale bien pensée, améliorable sensiblement au moyen des matériaux SCPR et encore perfectible (ECODOM)

Sous nos climats, la modélisation thermique en régime dynamique est nécessaire pour comprendre finement le fonctionnement thermique d’une enveloppe

Analyse du cas TEELOCK ASSOCIATES

Documents

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VOIR L'ENCADRÉ ROUGEsaplin.com/pdf/2005_01_21_LATRIBUNE.pdf · 2015. 9. 8. · président d'EkOS Research Associates, dans son analyse écrite du sondage. Par rapport à juin 2004,

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