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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
-
Alexis SAUVAGEON : Docteur ENS Cachan, Ingénieur ESTP - Ingénieur de recherche en méthodes numériques appliquées – AREP Paris
-
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 ;
-
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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Calcul des pressions en façade par la mécanique des fluides numériques (CFD)1. Modélisation de la ventilation naturelle pour les espaces semi-ouverts
On expose ici les équations gouvernantes de la ventilation naturelle liée au vent en simulation thermique dynamique des bâtiments. Dans cet article, nous nous limitons aux conditions limites en pression, ainsi nous n’aborderons pas les modifications de l’aéraulique liées aux gradients de température.
1.1 Équations gouvernantes
En simulation thermique dynamique, la modélisation des phénomènes aérauliques repose sur l’approche de Bernoulli. Cette approche simplifiée constitue un compromis raisonnable entre temps de calcul et précision de l’évaluation des débits entre zones d’un bâtiment. En effet, au moment du projet, le niveau de détail disponible est souvent trop faible pour une modélisation fine des éléments et le coût calculatoire de la mécanique des fluides numériques ne permet pas de réaliser des évaluations à l’échelle annuelle.
Un modèle communément utilisé, notamment dans le logiciel libre de STD EnergyPlus est celui de CONTAM , et , il se base sur les hypothèses suivantes :
-
l’écoulement est unidimensionnel ;
-
le régime est permanent (on néglige les effets inertiels de la « colonne d’air » déplacée) ;
-
le gradient de pression est le seul moteur de l’écoulement ;
-
le champ de pression est uniforme...
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Modélisation de la ventilation naturelle pour les espaces semi-ouverts
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - ADAMEK (K.), VASAN (N.), ELSHAER (A.), ENGLISH (E.), BITSUAMLAK (G.) - Pedestrian level wind assessment through city development : A study of the financial district in toronto. - Sustainable cities and society, 35 :178–190 (2017).
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(3) - BLOCKEN (B.), JANSSEN (W.D.), HOOFF (T.V.) - Cfd simulation for pedestrian wind comfort and wind safety in urban areas : General decision framework and case study for the eindhoven university campus. - Environmental Modelling & Software, 30 :15–34 (2012).
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(4) - COOK (N.J.) - Designers guide to wind loading of building structures. - part 1. (1986).
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(5) - DOLS (W.S.), WALTON (G.N.), DENTON (K.R.) - CONTAMW 2.0 user manual, - volume 6921. NISTIR (2002).
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