Evolution de la plateforme S IM S PARK

Les premiers travaux sur SIMSPARK ont porté sur la modélisation du comportement thermo-aéraulique des bâtiments par la méthode zonale (Wurtz 1995). Cette méthode qui consiste à partitionner le volume d’une pièce en un petit nombre d’éléments est intermédiaire entre le modèle à un nœud par pièce et les modèles fins de type CFD. Dans chaque élément, on écrit des bilans de masse et d’énergie tandis que les interfaces sont déterminées par des lois reliant les débits aux différences de pression/ Ainsi peut-on réaliser des études de phénomènes couplés de transfert de masse et de chaleur mais aussi de propagation de polluants. L’implémentation du modèle zonal a été réalisée en créant dans SPARK un objet regroupant les équations qui régissent les bilans au sein d’une zone et un objet regroupant celles qui régissent les interfaces. On exploite ainsi le fait que cet environnement est orienté objet pour pouvoir appeler le nombre de fois voulu chacun des objets sans avoir à les recréer.

C’est en utilisant cette propriété qu’il a été possible d’implémenter la génération automatique des modèles zonaux (Musy 1999). Des modèles de zones soumises à des écoulements dominants telles que les zones de panache, les zones de couche limite, les zones contenant un émetteur ou encore des zones de jet de différents types ont alors été développés. Ils ont été utilisés pour déterminer l’écoulement et le champ de température dans une pièce soumise à des écoulements moteurs ainsi que dans le cas de plusieurs pièces en communication par de grandes ouvertures. Pour étudier de façon complète les écoulements dans les pièces en prenant en compte leurs interactions avec l’enveloppe du bâtiment, des modèles de parois basés sur une discrétisation 1D en différences finies de l’équation de la chaleur ont été implémentés. La méthode des enceintes fictives (Walton 1980) (voir annexe II) a été utilisée pour prendre en compte le rayonnement

2 SimSpark : environnement de simulation pour les bâtiments basse consommation 2.2 SimSpark : Simulation des bâtiments dans Spark

dans les pièces. Ce modèle a l’avantage de permettre de s’affranchir du calcul des facteurs de formes qui peut rapidement être très lourd dans le cas de la méthode zonale.

Pour prédire le comportement thermo-aéraulique d’un bâtiment, il n’est pas forcément nécessaire d’avoir recours à un modèle zonal dans chacune de ses pièces. De même, ce modèle peut s’avérer insuffisant pour décrire certaines pièces de grande taille. C’est en partant de ces constatations qu’a été développé dans SIMSPARK une méthode de couplage de modèles de différents niveaux de finesse (Mora 2003). On peut ainsi utiliser un modèle CFD dans un atrium par exemple, un modèle nodal dans une pièce de bureau et un modèle zonal dans un autre. C’est dans le cadre de ces travaux qu’a été structurée la plateforme SIMSPARK avec une bibliothèque de modèles et une interface de saisie permettant de sélectionner facilement les modèles à utiliser pour créer la simulation d’une pièce avec modèle nodal ou zonal.

Afin de caractériser le comportement thermo-hydro-aéraulique des locaux climatisés, les phénomènes de sorption d’humidité dans les parois ont été étudiés (Cordeiro Mendonça 2004). Pour ce faire, des modèles prenant en compte les transferts hydriques dans les parois ont été implémentés dans SIMSPARK. Le couplage entre les équations qui régissent les transferts thermiques et celles qui régissent les transferts hydriques a été réalisé directement grâce au fait que SPARK est basé sur les systèmes d’équations mais aussi grâce à l’utilisation du modèle aux différences finies pour la conduction dans les parois. Il n’aurait, en effet, pas été possible avec un modèle basé sur les facteurs de réponse, qui est certes plus rapide, mais ne permet pas de connaître le champ de températures à tout instant. Des modèles d’appareils de climatisation et de régulation ont également été implémentés au cours de ce travail ce qui a permis de montrer l’influence de la prise en compte des phénomènes hydriques dans le comportement d’un bâtiment en soulignant le fait que le principal obstacle aux méthodes utilisées était la connaissance du comportement des matériaux.

En utilisant ces résultats, le potentiel de rafraîchissement d’un système évaporatif à désorption avec régénération solaire plus communément appelé « desiccant cooling » a été étudié (Maalouf 2006), l’idée étant de savoir pour un type de bâtiment et un type de climat donnés s’il est intéressant d’utiliser ce système. Pour cela une méthode d’évaluation basés sur un principe de lignes limites sur le diagramme de l’air humide a été mise en place pour les différents modes de fonctionnement du desiccant cooling. Cette étude a pu être prolongée (Bourdoukan 2008) par le développement d’un modèle complet de l’installation (roue dessicante, roue sensible, humidificateurs, batterie de régénération, capteurs sous vide à caloduc et ballon de stockage) qui a été validé par une expérimentation grandeur réelle à La Rochelle et qui a permis de définir des stratégies de contrôle et d’optimisation de ces systèmes.

D’autres travaux sont actuellement en cours pour étudier la ventilation naturelle, l’effet de l’inertie sur les bâtiments basse consommation ainsi que le comportement des bâtiments basse consommation à ossature bois.

Comme on peut le voir, de nombreux travaux ont été réalisés à l’aide de la plateforme SIMSPARK qui ont permis de la valider et de l’étoffer. Les environnements de simulation existants ont pour la plupart été conçus pour simuler des bâtiments classiques ; notre travail a pour but de montrer l’intérêt d’utiliser SIMSPARK

spécifiquement en vue de concevoir des bâtiments basse consommation, ce qui nécessite des adaptations. Nous nous servirons d’une partie des modèles qui ont été développés en particulier les modèles de parois, de fenêtres, de rayonnement, de bilans d’ambiance etc. (voir annexe II) qui permettent de simuler le bâtiment par la méthode nodale.

3 Conclusion

Dans ce chapitre, nous avons cherché l’environnement de simulation le plus adapté pour développer les connaissances des chercheurs dans le domaine de l’étude du comportement énergétique des bâtiments. Nous avons vu que les environnements basés sur les systèmes d’équations permettent :

 de faciliter l’étude des phénomènes couplés par le couplage direct au niveau des équations,

 de définir des modèles de façon non orientée,

 de créer des codes lisibles et maintenables.

Nous avons vu également que pour pouvoir simuler au mieux certains systèmes qui apparaissent avec les bâtiments basse consommation, il est important que l’outil utilisé possède un solveur robuste avec des méthodes de calcul avancées. Sur la base de ces constations et d’une étude comparative de différents environnements répondant à ces critères, nous avons choisi l’environnement de simulation SIMSPARK pour mener ce travail car il semble réaliser le meilleur compromis parmi toutes ces conditions.

Dans une deuxième partie, nous avons montré les stratégies que SPARK utilise pour résoudre les systèmes d’équations en passant par la méthode des graphes et la décomposition du système d’équation global en composants résolus séparément. Nous avons vu que SIMSPARK propose une bibliothèque de modèles de différents niveaux de précision qu’il est nécessaire de compléter pour étudier les bâtiments qui consomment peu d’énergie.

Dans le chapitre suivant, nous montrerons les avancées réalisées dans le cadre de ce travail au niveau de la modélisation de phénomènes et de systèmes adaptés à la description des bâtiments basse consommation.

Chapitre III : Développement de modèles adaptés à la

description de bâtiments basse consommation

RESUME DU CHAPITRE : Dans ce chapitre nous présenterons les modèles développés au cours de ce travail et qui sont intéressants soit par l’approche utilisée soit par leur mode de résolution. Les modèles présentés ici sont :

- un modèle de matériau à changement de phase,

- un modèle de prise en compte du rayonnement de courtes longueurs d’onde à l’extérieur et à l’intérieur du bâtiment,

Dans le chapitre précédent, nous avons mis en évidence les besoins en terme d’environnement de simulation pour les bâtiments basse consommation qui ont mené au choix de l’environnement SIMSPARK pour réaliser ce travail.

Dans ce chapitre, nous présenterons les modèles qui ont été développés dans le cadre de ce travail dans le but de mettre en évidence l’intérêt de l’environnement de simulation utilisé. Pour chacun de ces modèles (matériau à changement de phase, rayonnement CLO, échangeur air-sol) un bref état de l’art sera présenté. Il sera suivi d’une description détaillée du modèle. Les modèles seront intégrés dans une modélisation globale du bâtiment au chapitre suivant dans lequel nous présenterons les principaux résultats de simulation.