Analyse du cas TEELOCK ASSOCIATES

Harry BOYER – Resp. Equipe Génie Civil Thermique Habitat

Analyse du cas TEELOCK ASSOCIATES

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 TRNSYS3 ) Modélisation hybride en thermique de l’habitat4) Approche automatique des systèmes d’état

Validation et expérimentation1 ) Cellule Expérimentale LGI2 ) Expérimentation de systèmes de traitement d’air 3) Expérimentation de sites réels4 ) 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

12

34

56

7

89

5

1011

0000000000000000000000KK 00000000K K0000000000KK 00000000K K0000000000KK 00000000K K0000000000KK 00000000K K

A

7,87,8

7,87,8

5,65,6

5,65,6

3,43,4

3,43,4

1,21,2

1,21,2

cond


Le modèle aéraulique

...

Walls

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

20.0

25.0

30.0

35.0

40.0

45.0

50.0

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)

-0.5

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0

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

Modèle 0Modèle 1Modèle 2Mesure


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

Nord

Sollicitationsmétéorologiques

tTempératuresPuissancesHumiditésDébits aérauliquesEnergies

interambiances composantscomposants

bâtimentzones


Les atouts logiciels de CODYRUN

• possibilité d’intégrer de façon détaillée des masques proches

Calcul

Météo

CODYRUN

323334353637

1 48 95 142 189 236 283 330 377 424

Time step (30 mn)

Dry

air

tem

pera

ture

(°C

) 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

1994

1995

1996

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 température0 cm x x 15% 15% x2 cm a = 0.4 x x 15% 25% x4 cm et 0.7 x x 15% 40% xProtection par débord 25% 15% xd/h = 0.25 x x 25% 25% xd/h = 0.50 a = 0.4 x x 25% 40% xd/h = 0.75 et 0.7 x x 40% 15% xd/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 polyuréthanel = 0.029 W.m -1 .K-1

claire ( a = 0.4) 5 cm 4 cmmoyenne ( a=0.6) 8 cm 6 cmfoncée (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 nécessairemoyenne ( 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

da

h

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

Cas 1

d

h

Cas 2

• 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

0

200

400

600

800

1000

1200

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

W\m

²

Ray. Sol. DirectRay. Sol. Dif..

23

25

27

29

31

33

35

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Jour julien

°C

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Hr (%

)

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

7%4%

0%

11%

78%

paroi étage estparoi étage ouestparoi étage nordparoi étage sudtoiture

(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

020406080

100

4 5 6 7 8 9 10 11

Heures

%

Facteur solaire de la vitre chambre1

020406080

100

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

28

29

30

31

32

33

34

35

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

T(°C

)

Nord/Sud Est/Ouest

Rayonnement direct incident zone Etage : Comparaison NS/EO

0

500

1000

1500

2000

2500

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

Heures

W

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)

29

30

31

32

33

34

35

3 4 5 6 7 8 9 10

Jour Julien

Tem

péra

ture

d'a

ir in

térie

ur (°

C)

Bâtiment traditionnel : RDC

Bâtiment SCPR : RDC

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

29

30

31

32

33

34

35

3 4 5 6 7 8 9 10

Jour Julien

Tem

péra

ture

d'a

ir in

térie

ur (°

C)

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

232527293133353739

1 26 51 76 101

126

151

176

201

226

251

276

301

326

351

376

401

426

451

476

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

m3/

h

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/TraditionnelExploitation du diagramme de Givoni

15 20 25 30 35 400

0.005

0.01

0.015

0.02

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

Temperature (°C)

Rap

port

de m

élan

ge x

Zone de confortavec ventilation naturelle

50%

20%

70% 100%

Zone de confort

Kg(

H2O

)/Kg

as

Température (°C)

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


Approche par l’indice PMV*

Etage

-1

-0.5

0

0.5

1

1 18 35 52 69 86 103

120

137

154

171

188

205

222

239

256

273

290

307

324

341

358

375

392

409

426

443

460

477

PM

V*

PMV*19ET

PMV*15ETL'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

SCPRTrad

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

Documents

Analyse du cas TEELOCK ASSOCIATES