Article de référence | Réf : REX100 v1

Mise en œuvre
Méthodologie inverse pour l'obtention du comportement thermique d'un bâtiment ancien

Auteur(s) : Hiva SHAMSBORHAN, Christophe PENNEL, Baptiste HEELE, Marine HERAULT

Date de publication : 10 oct. 2016

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RÉSUMÉ

Ce travail présente une nouvelle méthode pour obtenir le comportement thermique d'un bâtiment historique, sans utiliser de technique destructive. Grâce à une méthodologie inverse on peut estimer la résistance thermique d'un mur dont les caractéristiques sont inconnues. En mesurant le flux de chaleur traversant le mur grâce à un fluxmètre et en enregistrant la température des différentes pièces du bâtiment par des capteurs de température sur plusieurs mois, on obtient la résistance thermique des murs, qui peut être utilisée pour la Simulation thermique dynamique (STD) du bâtiment. Par affinage du modèle numérique, la courbe issue de la simulation devrait être proche des températures enregistrées. Ainsi, le résultat de la STD sera cohérent avec le vrai comportement thermique du bâtiment.

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ABSTRACT

A reverse engineering method for evaluating the thermal behavior of a historical building

This article presents a new reverse engineering method to determine the thermal behaviour of a historical building non-destructively. The method is used to estimate the thermal resistance of walls whose characteristics are unknown. The heat flow through the walls is measured using a heat flow meter (HFM), and the temperature of different spaces in the building is recorded by sensors over 4 months. We thus obtain the thermal resistance of walls, and use that information for dynamic thermal simulation (DTS) of the building. The temperature curves plotted from DTS are compared with recorded temperatures. By further refining the model, the simulation curves can be brought very close to recorded temperatures. The DTS results thus mirror the real thermal behavior of the building.

Auteur(s)

  • Hiva SHAMSBORHAN : Enseignant Chef de projets R&D - Département énergétique et environnement, ICAM (Lille, France)

  • Christophe PENNEL : Enseignant responsable projets R&D, ICAM site de Paris-Sénart (Lieusaint, France)

  • Baptiste HEELE : Ingénieur exploitation au CNPE (Civaux, France)

  • Marine HERAULT : Ingénieur développement BI chez Sopra Steria (Lille, France)

INTRODUCTION

De nos jours, beaucoup de pays développés essaient de réduire la consommation globale d'énergie des bâtiments, ainsi que leurs émissions de gaz à effet de serre. Pour atteindre les objectifs de réduction de consommation visés, la rénovation devient nécessaire pour un bon nombre de bâtiments. Beaucoup de méthodes sont utilisées dans le monde pour réussir les projets de rénovation des bâtiments. Parmi celles-là, on peut mentionner :

  • l’audit énergétique ;

  • l’évaluation des performances du bâtiment ;

  • la quantification des gains énergétiques ;

  • l’analyse économique ;

  • l’évaluations des risques et mesure & vérification (M&V) de l'énergie sauvée.

Dans le but d'avoir des rénovations pertinentes pour économiser l'énergie, l'audit énergétique du bâtiment est primordial. L'audit énergétique varie selon le champ et la profondeur. Selon le manuel d'ASHRAE, l'audit énergétique peut être classifié selon trois niveaux :

  • niveau 1: survol des évaluations ;

  • niveau 2 : étude énergétique avec analyse ;

  • niveau 3 : analyse énergétique détaillée.

Les modèles numériques sont une partie importante de l'analyse énergétique détaillée. Aussi, ils permettent de prédire l'énergie économisée après un ensemble de projets de rénovation.

En connaissant les caractéristiques d'un bâtiment, nous pouvons facilement calculer sa STD et obtenir son comportement thermique. C'est le cas du bâtiment pour lequel la base de données technique est disponible. Si la base de données technique est manquante, il y a deux façons fiables pour obtenir la résistance thermique du mur :

  • la première est une méthode destructive, i.e. faire des trous dans les murs (carottage ou méthode endoscopique) pour comprendre leur composition et calculer leur résistance thermique ;

  • la seconde est une méthode non destructive qui utilise un fluxmètre pour obtenir la résistance thermique du mur et la comparer avec la méthode destructive. Ficco et al. ont prouvé la précision et la fiabilité de la seconde méthode pour les bâtiments historiques.

Dans ce travail, il a été tenté d'impliquer ladite méthode non destructive dans une méthodologie inverse, afin d'obtenir le comportement thermique du bâtiment, sans utiliser aucune opération de destruction.

Le travail est effectué à l’ICAM de Lille qui a été construit en 1898. L’Établissement est donc considéré comme un bâtiment historique dans lequel les opérations destructives ne sont pas recommandées. D'autre part, il n'y a aucune information à propos de la composition des murs. Les bâtiments de l’ICAM présentent donc une bonne opportunité pour appliquer notre méthodologie et des essais.

Points clés

Domaine : thermique du bâtiment

Entreprises concernées : toutes sortes d'entreprise intéressée

Technologies / méthodes impliquées : mesure des températures et du flux thermique

Secteurs : rénovation des bâtiments historiques

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KEYWORDS

numerical simulation of surface thermal phenomena   |   historical building   |   dynamic thermal simulation   |   thermal behavior

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-rex100


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2. Mise en œuvre

2.1 Méthodologie et expérimentation

La méthodologie inverse est le processus d'extraction des connaissances ou des plans de toute fabrication humaine. Elle est souvent menée à trouver des idées et des philosophies de conception ou d'autres connaissances qui sont indisponibles . Sans la connaissance des matériaux utilisés dans les murs et sans les opérations de carottage, la résistance thermique du mur (R th) est manquante et nous devrions suivre une méthode inverse pour les trouver.

L'organigramme de notre méthodologie inverse est présenté en figure 3.

  • Cette méthodologie comporte 4 étapes principales

  • Recherche des informations

    Elles concernent :

    • les dimensions ;

    • la localisation géographique ;

    • les températures climatiques extérieures ;

    • les consommations énergétiques ;

    • les scénarios d'occupation.

    Ces données doivent être disponibles. La connaissance des matériaux utilisés pour les murs n’est pas requise. Aussi, la connaissance en transferts de chaleur est nécessaire pour découvrir la résistance thermique inconnue.

  • Mesures des flux de chaleur traversant les murs en état stationnaire

    Ne pas oublier d’enregistrer les températures des deux côtés du mur, ainsi que la température des pièces. Ces températures sont nécessaires pour les calculs.

  • Évaluation de la résistance thermique équivalente des murs

    Cela via l’utilisation de la loi de Fourier en état stationnaire (voir Équation (1)).

  • Intégration de toutes les informations en vue de la STD

    En comparant les températures obtenues par la STD et celles enregistrées par les capteurs, l'élaboration du modèle numérique pourra s'approcher...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - EILAM (E.) -   Reversing : Secrets of Reverse Engineering.  -  Wiley Publishing, Inc. Indiana, USA (2005).

  • (2) - CHEN (Y.), LI (X.), ZHANG (Q.), SPITLER (J.D.), FISHER (D.) -   Investigation of the accuracy of calculation methods for Conduction Transfer Functions of building construction.  -  In proceedings of the 6th International Conference for Enhanced Building Operations, Shenzhen, China (6-9 November 2006).

  • (3) - JOBERT (R.) -   Perméabilité à l'air de l'enveloppe en application de la RT 2012.  -  CSTB Editions, pp. 32-35 (2012).

  • (4) - ASCIONE (F.), ROSSI (F.), VANOLI (G.P.) -   Energy retrofit of historical buildings : theoretical and experimental investigations for the modelling of reliable performance scenarios.  -  Energy and Buildings 43 1925-1936 (2011).

  • (5) - FARK (S.), BEL (T.) -   Les ponts thermiques dans le bâtiment : Mieux les connaître pour mieux les traiter.  -  CSTB Éditions (2006).

  • ...

DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES

1 Sites Internet

HAUT DE PAGE

2 Normes et standards

ISO 9869-1 - Geneva 1994 - Thermal insulation, Building elements, In-situ measurement of thermal resistance and thermal transmittance.

HAUT DE PAGE

3 Réglementation

Directive 2002/91/EC of The European Parliament and of the Council of 16 December 2002 on the performance of buildings, Official Journal of the European Communities, L 1/54 of the 4.1.2003.

Directive 2010/31/EU of The European Parliament and of the Council of 19 May 2010 on the performance of buildings (recast), Official Journal of the European Union, L 153/13 of the 18.6.2010.

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