La simulation du confort thermique dans un bâtiment
Essentiel au bien-être de ses occupants, le confort thermique optimal dans un bâtiment est un juste équilibre des conditions à l’intérieur des locaux et l’état physique des usagers.
Le confort en occupation est décrit par les paramètres température, humidité et rayonnement solaire qu’il est possible d’évaluer par la simulation du confort thermique.
Aujourd’hui, la conception des nouvelles constructions intègre des critères économiques, écologiques et durables aux vues des indicateurs climatiques en alerte. Ainsi, les attentes en matière de récupération d’énergie naturelle (rayonnement solaire, géothermie, etc.) et l’intégration de matériaux innovants deviennent des enjeux de réussite et d’adhésion au projet.
Le travail des ingénieurs concepteurs est primordial : garantir et maintenir un niveau de confort pour les occupants en maîtrisant les coûts d’installation et de maintenance.
L’intérêt de la simulation numérique CFD
Ecoulement en partie basse illustré par des lignes de courant
L’outil de simulation CFD constitue une aide précieuse lors de l’étude de faisabilité du projet. Il permet de mettre en place un jumeaux numérique 3D du bâtiment. Cette maquette intègre les volumes, l’état des conditions thermiques en tout point, ses conditions de ventilation et les conditions environnementales.
Le but est d’évaluer des critères d’ambiance à l’intérieur du bâtiment et d’en déduire le niveau de confort pour les usagers.
Contrairement à des méthodes numériques statistiques qui utilisent la moyenne des indicateurs de confort, la CFD permet de résoudre l’écoulement de manière très détaillée. Elle permet d’analyser différents scenarii, dans le temps et dans l’espace pour des conditions climatiques particulières.
La précision des résultats varie en fonction de la finesse du maillage de calcul. La taille des noeuds peut varier de plusieurs mètres à quelques centimètres – utile pour l’étude des conditions de travail à un poste fixe par exemple.
Ecoulement convectif en partie haute
Les concepts de ventilation, de chauffage ou d’écoulement naturel sont évalués et optimisés grâce la modélisation itérative. Cela permet de prendre des décisions importantes pour trouver le meilleur compromis entre économie d’énergie et confort. Les optimisations portent sur le choix de la technologie de ventilation et dans le positionnement des grilles de ventilation pour assurer une bonne distribution thermique et aéraulique.
La simulation en mécanique des fluides est une boîte à outils qui permet d’étudier, en 3 dimensions, un écoulement et les phénomènes physiques et chimiques impliqués (tels que la turbulence, le transfert de chaleur ou les réactions chimiques). Elle permet de déterminer avec précision la vitesse de l’air, la diffusion de la chaleur et même l’impact du rayonnement solaire sur la qualité de l’ambiance. Les conditions extérieures (vent, températures, exposition solaire, poussières, odeurs, etc.) sont intégrées au calcul car elles influent directement sur les grandeurs intérieures.
Ces calculs thermiques permettent de cartographier toutes les variables nécessaires au calcul des indices de confort. L’atout de la CFD est de pouvoir répondre aux enjeux macroscopiques (consommations du bâtiment, température moyenne, etc.) mais également de répondre à des enjeux ciblés (poste de travail, positionnement et la taille des échangeurs, etc.).
Dans la pratique
Le ressenti ou la sensation de confort thermique est propre au métabolisme de chaque individu. Dans la population d’usagers d’un bâtiment, chaque personne réagit différemment en fonction de sa transpiration, des vêtements qu’il porte, de l’humidité et de la vitesse de l’air ambiant.
Pour assurer un confort optimal, on vise habituellement :
- une plage de vitesses de circulation de l’air de l’ordre de 0,1 à 0,4 m/s,
- une plage de températures sèche comprise entre 16°C et 28°C,
- une plage d’humidité relative de 30% à 65%.
Pour connaître le degré d’acceptabilité des conditions dans un volume clos, on étudie des indicateurs de référence de l’inconfort : PMV (prédiction moyenne de l’inconfort) et le PPD (pourcentage de la population insatisfaite).
Etude du confort dans un atrium
Les modélisations suivantes ont été réalisées au cours d’une étude visant la construction d’un Atrium dont la couverture est intégralement vitrée. Le projet est situé en Nouvelle-Aquitaine et a été étudiée par notre équipe d’ingénieurs en CFD de Poitiers (86).
Les coupes suivantes illustrent la différence entre deux concepts de ventilation :
- Modèle initial : soufflage en partie basse et reprise en partie haute,
- Modèle optimisé : soufflage en partie haute par buses et reprise en partie basse.
A l’aide de la simulation du confort thermique, on observe trois zones d’inconfort :
- en bleu, cela traduit une sensation de froid,
- en vert, une sensation de confort,
- en orange, une sensation de chaleur.
Vue en coupe du confort thermique dans un bâtiment – Avant optimisation
Vue en coupe du confort thermique dans un bâtiment – Après optimisation
L’outil de CFD, a permis de valider le concept de soufflage par buse en partie haute car il procure une meilleure homogénéisation de la température et par conséquent un meilleur niveau de confort pour les usagers.
Notre équipe expérimentée de GANTHA à Poitiers (86), se tient à votre disposition pour échanger sur l’étude de vos projets !