Modélisation de l’occupation

II.2.1 Charges internes

Dans un bâtiment, les charges internes thermiques proviennent de l’éclairage, des équipements

électriques, des occupants et des animaux. Elles jouent un rôle crucial dans les BBC. En période

de chauffage, elles permettent de couvrir en grande partie les besoins de chaleur. En période de

rafraîchissement, elle représente un apport de chaleur qu’il est crucial d’évacuer, sous peine

d’obtenir une surchauffe de l’ambiance. Dans cette étude, les charges internes sont prises en

compte par la présence de mannequins cylindriques chauffés.

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Géométrie des mannequins

La géométrie d’une source de chaleur a une grande importance sur le panache thermique issu de

celle-ci [Menchaca et Glicksman, 2011]. Les mannequins ont ici une forme cylindrique, avec une

hauteur de 1,1 m et un diamètre de 0,5 m (Figure II.7). La surface d’échange est par conséquent de

1,92 m², correspondant à la surface de la peau d’un homme de 1,78 m et de 75 kg (aire de DuBois).

Cette forme de mannequin simplifiée a été choisie pour les raisons suivantes :

- la position des sources de chaleur et des occupants dans la pièce et leur posture (assis,

couché…) sont inconnues : il s’agit ici de représenter des sources de chaleur quelconques,

d’une part afin d’apporter des charges internes qui expliquent la nécessité de recourir à un

rafraîchissement de l’ambiance, d’autre part afin d’observer l’effet de ces charges internes

sur l’écoulement et le confort. Pour cela, il n’est ainsi pas nécessaire de représenter de façon

précise les détails d’un Homme.

- la mise en œuvre expérimentale est simplifiée par rapport à un mannequin de forme

complexe : le flux de chaleur est imposé de façon globale et non localement à l’aide de

plusieurs circuits électriques. Le suivi des températures de surface en plusieurs positions

des mannequins permet de s’assurer que leur température est homogène.

- l’intégration de la géométrie du mannequin est simplifiée dans les simulations CFD : moins

de mailles sont nécessaires et la convergence des calculs est facilitée par rapport à un

mannequin de forme complexe. En effet, le diffuseur modélisé est particulièrement

complexe, et requiert d’ores et déjà un nombre important de mailles.

Figure II.7 : Vue d’un mannequin et du système d’injection de CO

2

Système

d’injection de

58

Position des mannequins

La position des mannequins dans la pièce est présentée sur la Figure. Leur position a été choisie de

façon non symétrique par rapport au plan médian, de sorte à faire apparaître l’influence des sources

de chaleur sur l’écoulement.

Figure II.8 : Position des mannequins (vue dans le plan X-Y)

Puissance des charges internes

La puissance des charges internes considérée a été choisie de telle sorte à correspondre à une

activité sédentaire (1,2 met) et à une vêture de 1 clo en période de chauffage (tenue hivernale), et à

0,5 clo en période de rafraîchissement (tenue légère d’été). Une lampe de 125 W est ainsi placée

dans chaque mannequin, et un variateur à triac est employé pour faire varier la puissance émise par

chaque mannequin, de 0 à 125 W, en fonction du scenario considéré (Tableau II.1). Les échanges

de chaleur latente ne sont pas considérés. Or, ceux-ci constituent une part plus importante des

échanges en période estivale. Cela explique la puissance moindre (106 W) considérée pour les essais

en situation de rafraîchissement, comme préconisé par [Courtin, 2001].

Activité Vêture ^Température _intérieure Puissance

1,2 met 1 clo 21°C 125 W

1,2 met 0,5 clo 26°C 106 W

Tableau II.1. Puissance considérée en fonction du métabolisme, de la vêture, et de la température

intérieure [Courtin, 2001]

Une pince ampèremétrique et un voltmètre permettent de mesurer la tension électrique U_elec et

l’intensité électrique I_elec afin de calculer la puissance P à l’aide de l’Equation (II.1).

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P = U_elec. Ielec (II.1)

L’incertitude relative est de 1% de la mesure pour la mesure de l’intensité et de 1,5% de la mesure

pour la mesure de la tension. L’incertitude relative pour la mesure de la puissance ∆P/P est donc

de 2,5% de la mesure (Equation (II.2)), soit une incertitude absolue de ±3,2 W pour une puissance

mesurée de 126 W et de ±2,7 W pour une puissance mesurée de 106 W.

∆P

P ^{= (}

∆U_elec

U_elec ⁺

∆I_elec

I_elec ) (II.2)

Le suivi de la température de surface du mannequin en quatre positions différentes permet de

s’assurer que la répartition de la charge est homogène. En outre, le mannequin repose sur un isolant

de 5 cm, de sorte à ce que la chaleur ne soit pas évacuée par le sol, mais bien par le mannequin.

Le mannequin est recouvert d’une peinture noire. Son émissivité a été mesurée égale à 0,95±0,02

à l’aide d’un émissiomètre, et est ainsi proche de l’émissivité moyenne de la peau et des vêtements

(0,97). De la sorte, les échanges par rayonnement entre les parois de la cellule et les mannequins

sont pratiquement identiques aux échanges ayant lieu entre les parois de la cellule et un occupant

réel.

II.2.2 Injection de gaz traceur

La technique d’injection de gaz traceur consiste à injecté un gaz inerte dans le local étudié, qui joue

le rôle de polluant. Sa concentration est alors suivie au niveau du soufflage, de la zone d’occupation

et de l’extraction. Cela permet d’une part d’évaluer l’efficacité de ventilation du système, et d’autre

part, en fonction de la densité de la grille de mesure dans la zone d’occupation, d’obtenir une

représentation de l’écoulement dans le local étudié.

Choix du gaz traceur

Le gaz traceur retenu pour cette étude est le dioxyde de carbone (CO

2

). En effet, il présente

l’avantage d’avoir une densité qui est relativement proche de celle de l’air (à une température de

20°C, la masse volumique du CO

2

est de 1,81 kg/m

3

contre 1,20 kg/m

3

pour celle de l’air), et

permet ainsi de suivre la diffusion de l’air dans la pièce. De plus, il n’est pas dangereux aux

concentrations employées, et est peu coûteux. L’inconvénient est que le CO

2

est présent dans l’air

extérieur, à une concentration de 350-400 ppm environ (valeur qui peut varier en fonction des

rejets des bâtiments environnants). Il est ainsi nécessaire de mesurer la concentration en CO

2

dans

l’air provenant de l’extérieur et insufflé dans la cellule. Celle-ci est alors retranchée à la

concentration mesurée de sorte à estimer l’efficacité d’extraction du polluant (cf. Equation (I.27).

60

Modélisation de l’air expiré

Le choix du CO

2

comme gaz traceur permet également de modéliser l’air expiré par les occupants.

Il est ainsi injecté au niveau des mannequins, à une hauteur de 1,1 m. Afin de reproduire plus

fidèlement le phénomène d’expiration, un système de dispersion du CO

2

injecté est installé sous la

forme d’une balle en plastique percée de nombreux trous (Figure II.7). Ce dispositif permet de

réduire grandement la vitesse de soufflage, et obtenir ainsi un entraînement du CO

2

expiré par le

panache thermique issu de l’occupant, qui correspond à un comportement plus réaliste [Gao et

Niu, 2006]. Un débit de 18 l/h de CO

2

pur à 99,999% est ainsi injecté par occupant [Awbi, 2003].

Pour cela, un régulateur de débit massique de CO

2

est associé à chaque mannequin. Il permet la

mesure de ce débit avec une incertitude de 3% de la pleine échelle (qui est de 18 l/h) soit une

incertitude absolue de 0,54 l/h pour chaque régulateur de débit massique.

Indice de qualité de l’air intérieur

Le CO

2

est régulièrement utilisé comme un indicateur de la qualité de l’air intérieur. En effet, il

représente bien le niveau de confinement d’une ambiance, dans la mesure où il est produit par les

occupants, et il ne s’absorbe/adsorbe pas. La concentration en CO

2

au-dessus de celle de l’air

extérieur fait ainsi partie des critères permettant de qualifier la qualité des ambiances habitables

dans la norme [EN15251, 2007] (Tableau II.2).

Catégorie Concentration maximale en CO

2

au-dessus de celle à l'extérieur (ppm)

I 350

II 500

III 800

IV > 800

Tableau II.2. Catégorie déterminée en fonction de la concentration en CO

2

.

La concentration en CO

2

dans l’air intérieur n’est toutefois pas le meilleur indicateur de la qualité

de l’air intérieur. En effet, des études récentes ont montré que d’autres polluants de l’air intérieur

peuvent avoir un impact au moins aussi important que le CO

2

sur la santé [Jones, 1999]. Or, ces

polluants (COV, formaldéhyde, particules…) ont une densité différente du CO

2

, et ne sont pas

forcément couplés aux sources de chaleur. Leur diffusion dans la pièce et leur extraction n’est donc

pas la même que pour le CO

2

. De plus, il est à noter qu’un renouvellement d’air supérieur augmente

l’efficacité de ventilation pour le CO

2

mais peut être néfaste pour d’autres raisons : il induit une

augmentation du taux de diffusion de certains polluants (COV) [Sundell et al., 2011], et une

augmentation du brassage de la poussière et autres particules. Ainsi, une bonne efficacité de

61

ventilation pour le CO

2

n’est pas un élément permettant seul de conclure à une bonne qualité de

l’air intérieur en pratique, mais les autres sources de polluant doivent également être considérées.

Dans le document Etude expérimentale et numérique du traitement des ambiances par le vecteur air dans les bâtiments à très basse consommation d'énergie (Page 63-68)