Pourquoi des simulations?

La ventilation est un des aspects cruciaux de la conception des bâtiments à faible consommation d'énergie.

La ventilation mécanique est une grande consommatrice d'énergie, il faut donc qu'elle soit conçue de façon optimale par une quantification précise des besoins.

La meilleure des économies est de faire appel à la ventilation naturelle, qui ne consomme pas d'énergie, mais nécessite une architecture particulière, qu'il s'agit de tester par des simulations.
Ce sont les raisons pour lesquelles Sorane utilise de façon routinière la simulation aéraulique (CFD).

Les bases et les principes

Que simule-t-on ?

La conception des bâtiments nécessite d'évaluer les quantités d'air nécessaires au renouvellement et au maintient de températures confortables pour les utilisateurs.
Les simulation des mouvements d'air permettent d'une part de quantifier les flux nécessaires au renouvellement d'air contraint ou naturel, et d'autre part de calculer l'effet de la chaleur sur les flux.

CFD (Computational Fluid Dynamics)

Les programmes de simulation des écoulements d’air sont devenus des outils très puissants pour le développement de systèmes de ventilation complexes. Ils permettent d’optimiser le système au problème à résoudre, ils engendrent donc des économies au niveau des investissements, frais d’exploitations et diminuent les risques pour l’ingénieur, tout en augmentant la qualité du travail pour les maître d’ouvrage.

Depuis les années 90, ils ont été validés lors de différents projets de recherche internationaux dans le domaine du bâtiment ; AIE12 écoulement d’air dans les grands espaces vitrés, AIE26 Ventilation dans les grands volumes, AIE21, INVENT , ….

Notre société pour sa part utilise avec succès le programme FLOVENT de la maison flomerics ( UK ) depuis 1990 dans un grands nombre de projet et a acquis une solide expérience dans ce domaine.

Calcul de l’écoulement d’air au moyen de CFD

Les calculs de mouvement d’air et de distribution des températures dans une pièce peuvent être effectués au moyen de programme CFD (Computational Fluid Dynamic)

Ces derniers divisent le volume du local en un grand nombre de petits volumes de contrôle où la vitesse de l'air, sa température et sa pression sont calculées.

Il permet de tenir compte des charges thermiques dégagées localement, des pertes par conduction à travers les parois, des infiltrations, des gains solaires, de la distribution des polluant et de leur efficacité d’évacuation de la pièce ainsi que des effet du vent sur le bâtiment. Le calcul est par contre stationnaire, c'est-à-dire qu'il est effectué pour une période et une situation donnée. Les calculs doivent être tridimensionnels car la distribution des charges thermiques, des polluants et des introductions et reprises d’air ne sont pas homogènes et symétriques dans l’espace. Dans ce domaine les calculs en 2 dimensions ne sont plus utilisées car ils comportent des sources d’imprécisions et d’erreurs trop importantes.

Confort aéraulique

Pour les zones à risques, une simulation de l'écoulement d'air tenant compte des occupants et autres influences est effectuée. Elle permet de définir si les débits, température, géométrie et vitesse de pulsion sont compatibles avec les critères de confort. D'une manière générale, un meilleur confort est obtenu avec de plus grands débits et de plus faibles différentiels de température (pulsion-ambiance), avec comme corollaire un plus grande consommation d'énergie pour le transport.

Des exemples de résultats de simulation tridimensionnel en mécanique des fluides (CFD) pour un auditoire de 200 places avec une stratégie de ventilation naturelle sont présentés pour illustration sur les figures suivantes.
Ces calculs permettent de prendre en compte les effets liés à la stratification de la température dans les locaux de grandes hauteurs.

Atrium

Des calculs cfd dans les grands atriums permettent d'optimiser la ventilation de ces grands espaces. L'influence des effets thermiques et du vent sont pris en considération.
La figure ci-dessous représente les résultats de la distribution de température dans l'atrium de l'EPFL Bâtiment des systèmes de communication pour une situation sans vent.

Cafétéria : Evacuation des polluants

De façon similaire les distributions de concentrations d'un polluant peuvent être simulées. La simulation d'un feu et de la propagation de la fumée sont très utile pour optimiser la position des extractions ( désenfumage ) et pour contrôler la propagation de la fumée dans le bâtiment. La figure ci-dessous montre la distribution de vitesse et la concentration en particules issues de cigarettes dans une cafétéria (Université de Fribourg, Peyrolle 21)

Théorie

Les équations

Les équations qui régissent la mécanique des fluides sont réunies en un groupe de plusieurs équations différentielles partielles à résoudre:

• Continuité (conservation de la masse)
• Conservation de l’énergie
• Conservation du mouvement selon x, y et z

Exemple des différentes équations utilisant par le programme Flovent:

Où r est la densité du fluide, t le temps, u, v, w les vitesses dans les directions x, y et z de l’espace, m_eff la viscosité effective (mt : viscosité turbulente), Cp la capacité calorifique, T la température, leff la conductivité thermique (lt la conductivité turbulente), D la diffusivité (Dt : conductivité turbulente) et c la concentration

Ces équations sont utilisées sous leurs formes discrètes par la méthode des différences finies.

Pour pouvoir utiliser des delta de valeurs, il faut couper le domaine à étudier en petites briques qui contiendront chacune des valeurs de, par exemple, pression, température, vitesse, etc...

Les nouvelles équations en différences finies régissent le flux de chaque quantité d’une brique à l’autre en fonction de la position dans l’espace puis du temps.

Téléchargeables

Documents:

Overview of the use of Flovent in the Swiss energy saving research,by D Aiulfi, Sorane SA
(Accessible aussi sur le site: FLOVENT Technical Papers)