La modélisation est réalisée à l’aide du logiciel TRNSYS 17 [186]. Un schema représen- tant le principe de simulation est repris en Figure 2.1. Le schéma montre les interactions entre les différents modèles. Ainsi, le climat impacte les variables physiques environnemen- tales à l’intérieur du bâtiment, ces grandeurs ont une incidence sur l’état de l’occupant, puis selon son état et ses préférences, l’occupant agit. Les actions ont ensuite un effet sur le bâtiment ou sur l’occupant directement.
2.2 Modélisation du système bâtiment-occupant
2.2.1 Modélisation du bâtiment
Le bâtiment est une pièce, correspondant à un bureau standard. Le type 56, un modèle de bâtiment dans TRNSys, est utilisé. Le fait qu’un bâtiment complexe ne soit pas simulé est dû à la volonté de mettre en évidence les effets des différentes actions. La géométrie de la pièce est donnée dans la Figure 2.2. Le plafond, le plancher et les 3 parois intérieures (nord, est et ouest) sont considérés adiabatiques. Seule la paroi sud est en contact avec l’extérieur. Elle est composée d’une couche de béton et d’une couche isolante. La position de l’isolant (intérieur ou extérieur) dépend de l’étude de cas considérée.
Les caractéristiques physiques des différentes parois sont données dans le Tableau 2.1. Les gains internes dus à l’éclairage et à l’occupation sont simulés à partir d’un planning d’occupation hebdomadaire : 8h - 19h la semaine et pas d’occupation le reste du temps.
FIG. 2.2– Caractéristiques géométriques du local étudié
TAB. 2.1– Caractéristiques des parois et fenêtre
Surface U (W.m–2.K–1) Surface (m2) facteur solaire Mur extérieur 0.248 9 -
Mur intérieur 0.248 42 -
Fenêtre 1.4 3 0.589
Plafond, Plancher 0.438 20 -
Les hypothèses suivantes sont prises en compte :
— stores : quand les stores sont fermés, 10% du rayonnement solaire est transmis à la fenêtre et aucune résistance thermique additionnelle n’est prise en compte,
— éclairage : les besoins en énergie pour le système d’éclairage sont calculés avec un ratio de 11 W/m2 de surface de plancher,
— infiltrations : valeur constante égale à 0.3 vol/h,
— période de chauffage : débute le 1erNovembre et termine le 30 Avril. La puissance d’émission est supposée illimitée, pour maintenir la consigne,
2.2 Modélisation du système bâtiment-occupant
— période de climatisation : débute au 1erMai et termine le 31 Octobre. La puissance est supposée illimitée,
— températures de consigne : dépendent de l’étude de cas considérée,
2.2.2 Modélisation thermique de l’occupant
Les variables thermiques de l’environnement intérieur sont calculées en un seul noeud par zone dans TRNSYS. C’est pourquoi un modèle de thermophysiologie à deux noeuds est adéquate. En effet, comme nous l’avons vu dans le tableau 1.2 page 28, des modèles plus détaillés existent mais ne conviendrait pas puisque les données disponibles sur l’envi- ronnement sont limitées (ex : stratification, échanges radiatifs complexes etc.). Le transfert thermique entre l’environnement et le corps de l’occupant, ainsi que les réactions physiolo- giques sont calculés grâce au modèle à 2 noeuds MAC2N, développé au laboratoire [4], qui représente le corps humain, auquel a été ajouté un noeud pour modéliser la couche vesti- mentaire (transferts thermiques et hydriques). Des informations additionnelles sont données en Annexe A. Il s’agit d’un court extrait de [4].
Le calcul prend en compte les variables physiques environnementales suivantes : — la température d’air, Ta,
— la température moyenne de rayonnement, Tmrt,
— la vitesse d’air, Va,
— l’humidité relative, HR,
ainsi que certains paramètres propres à l’individu : — l’activité métabolique, M,
— l’isolement vestimentaire, Icl
Les réactions thermophysiologiques inconscientes telles que la vasoconstriction, la va- sodilatation, la sudation et le frisson sont modélisées.
Le bilan thermique du corps humain est calculé à un pas de temps interne d’une minute alors que le bâtiment est, quant à lui, simulé à un pas de temps d’une heure. Le pas de temps du modèle de thermophysiologie est indépendant de celui de la simulation du bâti- ment puisque le calcul est réalisé dans une sous-routine externe.
La sensation thermique est ensuite calculée sur l’échelle à 7 points de l’ASHRAE grâce à des corrélations prenant en compte la température moyenne de peau (équations 2.1 et 2.2) [187]. L’échelle de l’ASHRAE s’étend de très froid (–3) à très chaud (+3).
— Activité métabolique inférieure à 120 W/m2
ST= 0.6153× Tsk– 19.04 (2.1)
— Activité métabolique supérieure à 120 W/m2
ST = 0.0133× t3
sk– 1.2228× T 2
sk+ 37.906× Tsk– 397.616 (2.2)
Avec ST la sensation thermique exprimée sur l’échelle de l’ASHRAE et Tskla tempéra-
ture de peau en◦C.
Dans toutes les simulations de ce chapitre, l’occupant est considéré comme assis au repos. Son métabolisme est fixé à 1 met, soit environ 105 W. L’isolement vestimentaire varie suivant l’action de l’occupant ou la saison.
2.2.3 Modélisation des actions de l’occupant
L’objectif de ce chapitre est d’étudier l’impact des actions de l’occupant sur sa sensation thermique. Chacune des 6 actions listées en 2.2.2 a un impact, soit sur les besoins énergé- tiques du bâtiment, et/ou sur la sensation thermique de l’occupant.
L’impact réel des actions relatives à l’aéraulique n’étant pas possible à modéliser dans TRN- SYS, nous avons pris des valeurs réalistes à partir de la littérature ou vérifiées sur le terrain.
Les actions ont été modélisées dans TRNSYS 17 avec les hypothèses suivantes : — ouverture des fenêtres : quand la fenêtre est ouverte, une vitesse d’air de 0.5 m/s au
niveau de l’occupant est considérée et le débit d’infiltration passe à 5 vol/h [188], — opération sur le ventilateur : quand il est allumé, une vitesse de 0.6 m/s au niveau de
l’occupant est considérée,
— si la fenêtre est ouverte et que le ventilateur est allumé, une vitesse d’air de 0.8 m/s est considérée.
2.2.4 Études de cas
Comme l’impact du comportement humain sur le bâtiment dépend du bâtiment lui-même, nous proposons d’étudier différentes typologies de bâtiments. Trois variables sont considé- rées :
— le climat : deux climats sont étudiés, un océanique, à Agen et l’autre méditerranéen, à Nice,
— l’inertie thermique : obtenue en faisant varier la position de l’isolant. Deux cas sont considérés, le premier est une isolation thermique intérieure (ITI), correspondant à une inertie thermique faible, et le deuxième est une isolation thermique extérieure (ITE), correspondant à une inertie thermique forte,
— la climatisation : suivant le cas, la climatisation est active ou non pendant la période estivale.
Puisqu’il y a 3 paramètres ayant chacun deux états possibles, 8 cas sont nécessaires pour couvrir l’ensemble des combinaisons. Ces combinaisons sont récapitulées dans le Tableau 2.2.
TAB. 2.2– Etudes de cas en fonction des combinaisons de paramètres
Localisation Agen Nice
Inertie thermique Faible Forte Faible Forte
Climatisation On Off On Off On Off On Off
Nomenclature du cas ALO ALF AHO AHF NLO NLF NHO NHF