Chapitre IV : Intégration des modèles pour l’évaluation des bâtiments basse
2 Inertie et tache solaire
2.2 Tache solaire et comportement thermique du bâtiment
Présentation du cas étudié
Afin d’étudier l’influence de la prise en compte de la tache solaire sur le calcul du comportement thermique d’un bâtiment, un cas d’école a été étudié. On reprend la géométrie de pièce présentée à la figure IV.6 pour laquelle la répartition annuelle de la tache solaire a été présentée et on considère alors deux pièces de ce type superposées (voir figure IV.9). On souhaite ici isoler le phénomène étudié pour en voir l’influence sur le comportement thermique, c’est pourquoi le cas choisi est simple et ne correspond pas forcément à un cas de figure qu’on retrouverait couramment dans la réalité.
Figure IV.9 : Géométrie étudiée dans le cas test
Un modèle à un nœud par pièce est utilisé et deux types d’enveloppe ont été testés :
Une enveloppe fortement inertielle avec des murs en béton lourd et une isolation extérieure
Une enveloppe de faible inertie de type ossature bois.
Les deux enveloppes ont le même niveau d’isolation, soit 20 cm d’isolant. On compare alors le comportement thermique de ces deux pièces soumises aux conditions climatiques de Chambéry pendant la saison de chauffe en prenant en compte ou non le calcul de la tache solaire. Les hypothèses choisies dans les simulations varient en fonction du cas de figure étudié de la façon suivante :
Cas 1 : La position de la tache solaire est prise en compte dans le calcul à chaque pas de temps par la méthode géométrique présentée précédemment.
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Cas 2 : La totalité du rayonnement CLO direct qui entre dans la pièce est répartie sur le plancher pendant toute l’année.
Cas 3 : 60% du rayonnement CLO direct qui entre dans la pièce est réparti sur le plancher et le reste est réparti au prorata des autres surfaces (hypothèse couramment utilisée).
Cas 4 : Le pourcentage de flux qui atteint chaque paroi pendant la saison de chauffe est calculé dans une simulation préliminaire ne prenant en compte que le calcul géométrique de la position de la tache solaire. On calcule alors la moyenne du pourcentage de flux arrivant sur chaque paroi (ici 16.1% sur le plancher, 29.7% à l’est etc.) et on utilise ce pourcentage dans la simulation thermique annuelle pour répartir le flux qui entre par la fenêtre de façon constante pendant toute l’année. On utilise donc le calcul de tache solaire comme un pré-processeur de la simulation thermique.
Résultats de simulation
L’objectif est ici de voir l’effet du modèle de répartition du flux solaire direct sur le comportement thermique d’un bâtiment pendant la saison de chauffe. La puissance de chauffage dans chacune des pièces a été tracée pour une succession de deux jours ensoleillés et de deux jours sans soleil (figure IV.10 et figure IV.11).
Figure IV.11 : Puissance de chauffage dans la pièce de l’étage, bâtiment en béton
La courbe noire correspond au modèle où le rayonnement solaire arrive entièrement au sol. On remarque que pour le rez-de-chaussée (figure IV.10), cette courbe est au-dessous de toutes les autres alors que c’est le contraire pour l’étage (figure IV.11). On met aussi en évidence qu’en considérant que le rayonnement arrive entièrement au sol (cas 2), on arrive à une surestimation importante de la puissance de chauffage au rez-de-chaussée et une sous-estimation à l’étage. Ceci est dû au fait qu’un flux de chaleur, plus important que dans le cas 1, transite par la dalle de béton qui sépare les deux étages. Le même phénomène se retrouve dans le cas 3 pour lequel on considère que 60% du flux atteint le plancher. Dans le cas 4, où un pré-calcul a été réalisé, on remarque que les courbes de puissance de chauffage sont quasiment superposées à celles du cas de référence (cas 1). Pour bien comprendre ce phénomène, il faut remarquer que les moments pendant lesquels les courbes de puissance présentent les plus forts écarts dans les différents cas correspondent à la fin de la nuit, c'est-à-dire à un moment où aucun rayon ne pénètre par la fenêtre (voir la courbe présentant l’éclairement solaire direct horizontal). Ainsi, les écarts entre les différentes puissances de chauffes sont-ils dus au fait que les parois restituent l’énergie qu’elles ont stockée de manière différente en fonction de l’éclairement reçu pendant la journée. C’est pourquoi il n’est pas trop étonnant que pour les deux cas où l’énergie moyenne reçue pendant la journée par chaque paroi est identique (cas 1 et cas 4), on obtienne quasiment les mêmes puissances de chauffe. Voyons maintenant ce qui se passe dans chacune des deux pièces pour un bâtiment à faible inertie (bâtiment à ossature bois).
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Figure IV.12 : Puissance de chauffage dans la pièce du rez-de-chaussée, bâtiment à ossature bois
Figure IV.13 : Puissance de chauffage dans la pièce de l’étage, bâtiment à ossature bois
On remarque que pour ce bâtiment à ossature bois, la puissance de chauffage est quasiment la même quelle que soit la façon de prendre en compte le rayonnement solaire sur les deux étages. Ce résultat se comprend en considérant que, les parois étant légères, elles ne stockent pas suffisamment d’énergie la journée pour en restituer la nuit.
La façon dont la tache solaire a frappé les parois durant la journée a donc peu d’influence sur le comportement nocturne.
cas 1 (calcul de la tache solaire)
cas 2 (répartition forfaitaire: tout sur
le sol) cas 3 (répartition forfaitaire: 60% sur le sol) cas 4 (répartition constante avec calcul préliminaire) Besoins de chauffage [kW.h/(m².an)] 17.2 (référence) 15.7 16.4 17.1
Écart par rapport au
cas 1 - 8.5% 4.6% 0.1%
Besoins de chauffage [kW.h/(m².an)]
21.7
(référence) 23.2 22.5 21.6
Écart par rapport au
cas 1 - -7.1% -3.5% 0.3%
étage RDC
Tableau IV.3 : Besoins de chauffage du bâtiment à forte inertie
Le tableau IV.3 présente les écarts entre les besoins de chauffage dans les différents cas considérés pour le bâtiment à forte inertie. Le cas de figure pris comme référence est celui pour lequel le calcul de la position de la tache solaire est réalisé à chaque pas de temps. On se rend compte que l’écart entre les besoins de chauffage avec et sans prise en compte de la position de la tache solaire peut atteindre 8,5%. On voit également que le fait de réaliser un pré-calcul des coefficients de répartition moyen sur les parois suffit à garantir un résultat très proche de celui que l’on aurait avec le calcul de tache solaire (moins de 0.3% d’écart). Le tableau IV.4 permet, quant à lui, de voir que, quelle que soit la façon dont la répartition du flux solaire direct se fait dans la pièce, l’estimation des besoins de chauffage varie peu quand le bâtiment possède une faible inertie. Ce résultat est en accord avec ce que nous avons vu précédemment au niveau des courbes de puissance dans les deux pièces.
cas 1 (calcul de la tache solaire)
cas 2 (répartition forfaitaire: tout sur
le sol) cas 3 (répartition forfaitaire: 60% sur le sol) cas 4 (répartition constante avec calcul préliminaire) Besoins de chauffage [kW.h/(m².an)] 20.8 (référence) 20.3 20.6 20.8
Écart par rapport au
cas 1 - 2.6% 1.4% 0.1%
Besoins de chauffage [kW.h/(m².an)]
25.8
(référence) 26.3 26.1 25.7
Écart par rapport au
cas 1 - -2.2% -1.1% 0.1%
étage RDC
Tableau IV.4 : Besoins de chauffage du bâtiment à faible inertie Conclusion
On peut donc dire en résumé que, dans l’exemple étudié ici, le pré-calcul des coefficients de répartition de la tache solaire pendant la saison de chauffe permet
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d’obtenir des résultats de simulation du comportement thermique du bâtiment quasiment similaires à ceux du cas où l’on calculerait ces coefficients à chaque pas de temps. Ce résultat semble valable avec un bâtiment à forte ou à faible inertie. Nous avons montré par contre qu’il était important de ne pas choisir au hasard ces coefficients sous peine d’obtenir des écarts de comportement qui peuvent être importants en particulier dans le cas de bâtiments à forte inertie.
Nous pouvons voir, à travers ce cas d’étude, qu’un environnement de simulation basé sur les systèmes d’équations permet le couplage aisé entre un modèle de rayonnement complexe et le modèle de bâtiment existant, simplement par le raccordement des variables de flux radiatifs au niveau des parois.
3 Couplage d’un échangeur air-sol avec un bâtiment basse consommation