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RÉSUMÉ
Le renouvellement d’air est un facteur déterminant du comportement thermique dynamique dans les bâtiments ventilés naturellement ou les espaces semi-ouverts comme les gares. Cependant, dans les approches classiques de modélisation, les pressions en façade sont généralement données par des corrélations simplifiées, fonction de l’angle d’incidence et de la forme du bâtiment, qui s’avèrent inadaptées à la plupart des situations réelles.
On se propose ici de donner la méthode et les bonnes pratiques permettant de déterminer de manière idoine les conditions aux limites en pression pour la simulation thermique dynamique, en utilisant la mécanique des fluides numérique. Les écarts obtenus en fonction de la discrétisation angulaire et de la rose des vents du site sont également présentés.
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Naturally ventilated buildings and semi-open spaces such as stations are highly sensitive to wind driven air change. Classical methods for the determination of pressures on façades are based on simplified correlations depending on the wind incidence angle and idealized geometrical shape, unsuitable to most of actual buildings, especially in densely built environments. Therefore, the suggested method and guidelines presented here aim at establishing accurate pressure boundary conditions for building energy simulation, using computational fluid mechanics.
The influence of the incidence angle discretization, the site’s environment and wind rose are also presented.
Auteur(s)
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Édouard WALTHER : Docteur ENS Cachan, Ingénieur INSA Strasbourg, Agrégé de Génie Civil - Ingénieur de recherche en physique du bâtiment – AREP Paris
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Antoine HUBERT : Docteur Kingston University, Ingénieur Grenoble INP - Ingénieur Recherche & Développement – AREP Paris
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Alexis SAUVAGEON : Docteur ENS Cachan, Ingénieur ESTP - Ingénieur de recherche en méthodes numériques appliquées – AREP Paris
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Mateusz BOGDAN : Docteur ENS Cachan - Ingénieur de recherche en simulations multi-physiques urbaines – AREP Paris
INTRODUCTION
Avec la réduction des consommations d’énergie des bâtiments et le recours croissant à la ventilation naturelle comme moyen de rafraîchissement, une attention particulière doit être portée à l’estimation des pressions sur l’enveloppe, qui permettent d’estimer le renouvellement d’air lié au vent au travers des ouvrants ou par infiltration.
La difficulté représentée par le calcul de celles-ci a conduit au développement de règles empiriques largement utilisées qui permettent de les obtenir à partir de corrélations simples.
Caractériser le comportement thermique d’un bâtiment par la simulation requiert de tenir compte du couplage entre les phénomènes thermiques et aérauliques. Celui-ci nécessite une connaissance des pressions en façade et sur les ouvrants. Ainsi, pour chaque angle d’incidence du vent, on introduit la notion de coefficient de pression (C p ), fraction de la pression dynamique dans l’écoulement non perturbé par le bâtiment. Le C p permet de s’affranchir d’un calcul systématique de la pression de stagnation sur les ouvrants pour toutes les amplitudes de vent incident et d’obtenir les différentiels de pression entre façades.
Dans les logiciels actuels de Simulation Thermique Dynamique (STD), les coefficients de pression sont généralement donnés par des corrélations en fonction de l’angle d’incidence et de la forme du bâtiment . Ces relations sont valides pour des bâtiments isolés, de faible hauteur et de formes régulières. Il existe des tables correctives pour des environnements urbains réguliers , mais celles-ci se limitent à des environnements réguliers, alignés ou décalés, pour deux configurations :
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deux fois plus petit que le bâtiment étudié ;
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de la même hauteur que le bâtiment étudié.
Il existe en complément d’autres facteurs correctifs empiriques, appliqués directement aux débits de ventilation naturelle si des effets de masques importants sont à prendre en compte, variant de 0,33 à 0,99. Des corrections complémentaires existent pour la géométrie, lorsque le bâtiment d’intérêt a une forme géométrique simple : bâtiment en « L », ou encore en cours ouverte (forme de « U »).
Il est à noter que l’ensemble de ces corrélations donne des valeurs de C p, par façade, sans prendre en considération les variations locales de pression, ni l’emplacement précis des ouvrants.
Si les estimations faites sur la base de mesures sont fiables dans des cas particuliers, ces corrélations s’avèrent inadaptées à la plupart des situations réelles. La méthodologie présentée ici s’appuie sur une démonstration de l’intérêt d’une estimation fine, via la simulation numérique, des coefficients de pressions pour la thermique du bâtiment.
Ainsi, une première partie traitera des aspects théoriques régissant le calcul des débits de ventilation naturelle en simulation thermique dynamique. On présentera ensuite les outils récents de simulation numérique appliqués à la dynamique des fluides en vue de l’obtention de pressions en façades. Enfin, un exemple d’application sera développé dans la dernière partie pour illustrer les considérations évoquées dans cet article.
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MOTS-CLÉS
simulation numérique des phénomènes thermiques superficiels mécanique des fluides numérique coefficient de pression ventilation naturelle
KEYWORDS
numerical simulation of surface thermal phenomena | computational fluid dynamics | pressure coefficient | natural ventilation
DOI (Digital Object Identifier)
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Modélisation de la ventilation naturelle pour les espaces semi-ouverts
En anglais
4. Conclusion
L’évolution des puissances de calcul a rendu abordable la détermination numérique des pressions en façade des bâtiments dans des environnements urbains. Ceux-ci étant souvent de forme irrégulière, l’utilisation de relations simplifiées pour les C p ne permet pas d’obtenir une approximation précise des taux de renouvellement d’air par ventilation naturelle.
Ainsi, les méthodes de calcul numérique de dynamique des fluides s’imposent dans la détermination des coefficients de pression en façade, à l’image de celle développée dans cet article.
En termes de temps d’études, la modélisation 3D de l’environnement, le maillage, les calculs aérauliques et le post-traitement viennent s’ajouter à la réalisation de la STD, qui doit également être paramétrée à l’instar d’un étude thermique classique. Ainsi, le coût d’une telle étude est supérieur d’un facteur 3 à 4. La finesse de l’approche se justifie cependant aisément pour des projets d’envergure, avec des structures de forme complexe ou de grandes dimensions, où des économies substantielles sont réalisables, par exemple en dimensionnant au mieux le nombre d’ouvrants ou le système de refroidissement.
La pratique et les résultats développés sur le cas d’étude de cet article montrent, d’une part, qu’il est judicieux d’aligner la discrétisation sur une ou plusieurs directions de vent principales et, d’autre part, qu’une discrétisation régulière est convenable, du fait de la présence d’écarts importants de taux de renouvellement d’air pour des amplitudes de vent faible, hors direction principale.
La méthode présentée dans cet article permet de réduire les incertitudes liées aux conditions limites pour le calcul de la ventilation naturelle en simulation thermique dynamique du bâtiment. Cependant, d’autres simplifications et hypothèses sont faites pour modéliser ce phénomène et peuvent être sources de biais dont l’ingénieur doit avoir conscience.
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BIBLIOGRAPHIE
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