Soutenance mémoire
Méthodologie
Modélisation de l’ambiance dans un bâtiment
La modélisation de l’ambiance à l’intérieur d’un bâtiment nécessite la compréhension des phénomènes physiques définissant le comportement thermique du bâtiment à travers :
➤ les conditions climatiques, comme :
● l’ensoleillement,
● la température de l’air,
● l’hygrométrie,
● l’orientation et la fréquence des vents dominants.
➤ les dispositions constructives qui sont :
● l’orientation,
● les masques,
● les matériaux,
● les isolants,
● la volumétrie.
➤ les équipements techniques tels que :
● les systèmes de production et de distribution de chaleur et de froid,
● la régulation,
● le système de ventilation.
➤ les apports internes comme la chaleur produite par les occupants et par les équipements divers.
Dans cette thèse, les équipements techniques et les apports internes ne sont pas considérés. L’ambiance à l’intérieur d’un bâtiment peut être ainsi évaluée à partir des trois mécanismes d’échange thermique :
● La conduction : la chaleur se propage par agitation moléculaire dans le matériau (solide, liquide, gazeux) sans aucun mouvement de la matière dans son ensemble.
● La convection : le transfert de chaleur se fait par mouvement de matière.
● Le rayonnement : la propagation de la chaleur s’effectue par ondes électromagnétiques, alors, sans contact direct entre les matières.
Les données nécessaires à la simulation
L’évaluation de l’ambiance à l’intérieur d’un bâtiment, en tenant compte de ces mécanismes d’échange de chaleur, requiert la définition des paramètres de simulation du bâtiment, sa localisation, les matériaux de construction et les zones thermiques.
Les paramètres de simulation
Ils décrivent les paramètres qui sont utilisés lors de la simulation du bâtiment :
● L’orientation : elle indique l’orientation du bâtiment par rapport au vrai nord.
● Le type de terrain : le relief du site affecte la façon dont le vent frappe le bâtiment, tout comme la hauteur du bâtiment.
La localisation décrit les paramètres pour l’emplacement du bâtiment :
❖ La latitude : par convention, la latitude nord est représentée par un chiffre positif, la latitude sud par un chiffre négatif, les minutes devant être représentées en des fractions décimales de 60.
❖ La longitude : par convention, la longitude Est est représentée par un chiffre positif et la longitude Ouest, par un chiffre négatif. Les minutes doivent être représentées en des fractions décimales de 60.
❖ Time zone : Le « time zone » représente le fuseau horaire de l’installation par rapport au temps moyen de Greenwich ou le méridien zéro. Les fuseaux horaires à l’Ouest du GMT sont représentés par des chiffres négatifs et ceux à l’Est du GMT, par des chiffres positifs. Les heures non entières peuvent être représentées en décimal, par exemple, 6,5indique 06 :30.
❖ L’élévation : elle représente l’altitude de l’installation en mètres, ceci par rapport au niveau de la mer.
La construction – les matériaux
La construction décrit les propriétés physiques et la configuration pour l’enveloppe du bâtiment et les éléments intérieurs, autrement dit, les murs, toits, sols, fenêtres, portes du bâtiment. Les éléments de construction sont caractérisés par leurs propriétés thermiques et leurs autres propriétés physiques :
➤ La rugosité : Cette propriété définit la rugosité relative d’une couche de matériau particulier. Ce paramètre n’influe que sur les coefficients de convection, plus spécifiquement sur le coefficient de convection extérieur.
➤ L’épaisseur : c’est la dimension de la couche dans la direction perpendiculaire au trajet principal de conduction de chaleur.
➤ La conductivité [?/(??)] ∶ elle définit le comportement des matériaux lors du transfert thermique par conduction.
➤ La densité [??/?3].
➤ La chaleur spécifique [?/???].
➤ L’absorption thermique : elle représente la fraction du rayonnement incident qui est absorbée par le matériau. Ce paramètre est utilisé lors du calcul de la longueur d’onde rayonnante échangée entre les différentes surfaces et il affecte les bilans thermiques de surface (à l’intérieur et à l’extérieur). Pour une longueur d’onde longue, l’échange rayonnant, l’émissivité thermique et l’émission thermique sont égaux à l’absorptance thermique. Les valeurs de ce paramètre doivent être comprises entre 0.0 et 1.0 (avec 1.0 représente l’absorptance thermique du «corps noir»).
➤ L’absorption solaire : elle représente la fraction du rayonnement solaire incident qui est absorbée par le matériau. Le rayonnement solaire comprend le spectre visible ainsi que les spectres infrarouge et ultraviolet. Ce paramètre est utilisé lors du calcul de la quantité de rayonnement solaire incident et absorbé par les différentes surfaces et il affecte les bilans thermiques de surface (à l’intérieur et à l’extérieur). Les valeurs de ce paramètre doivent être comprises aussi entre 0.0 et 1.0.
➤ L’absorbance visible : elle définit la fraction du rayonnement incident de longueur d’onde visible qui est absorbée par le matériau. Un rayonnement de longueur d’onde visible est légèrement différent de celui du soleil en ce que la bande de longueur d’onde visible est beaucoup plus étroite tandis que le rayonnement solaire comprend les trois spectres précédents. Ce paramètre est utilisé lors du calcul de la quantité de radiation visible incidente et absorbée par différentes surfaces en affectant les bilans thermiques de surface (à l’intérieur et à l’extérieur) ainsi que les calculs d’éclairage naturel. Les valeurs de ce paramètre doivent être comprises entre 0.0 et 1.0.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1. CADRECONTEXTUEL
1.1 HABITAT : ROLES ET DEFIS
1.2 L’HABITAT TYPIQUEMENT MALAGASY
1.3 BESOIN DE LA GESTION DES INCERTITUDES
1.4 L’HABITAT TYPE
1.5 CONCLUSION
CHAPITRE 2.MISE EN EVIDENCE DE LA VARIABILITE DE L’AMBIANCE A L’INTERIEUR DU BATIMENT TYPE
2.1 METHODOLOGIE
2.1.1 Modélisation de l’ambiance dans un bâtiment
2.1.1.1 Les données nécessaires à la simulation
a. Les paramètres de simulation
b. La localisation
c. La construction – les matériaux
d. Zone thermique Géométrie / Description
2.1.1.2 Modélisation du bâtiment typiquement Malagasy
a. La construction
1. Toits / planchers/ dalles/plafonds
2. Portes
3. Les ouvertures
2.1.1.3 EnergyPlus
a. Prise en compte des conditions climatiques
b. Prise en compte des dispositions constructives
2.1.2 Modélisation du confort thermique
2.1.2.1 Les modèles quantitatifs
a. Les processus d’échange de chaleur du corps
1. Modèle de Fanger
2. Modèle de Pierce
b. Mesures de confort
1. Les indices empiriques
2. Les indices analytiques
2.1.2.2 Les modèles qualitatifs
a. Zone de confort
b. Zone de contrôle potentiel pour les périodes froides
c. Zones de contrôle potentiel pour les périodes chaudes
1. Zone d’effet de masse
2. Zone d’effet de masse avec ventilation nocturne
3. Zone de ventilation naturelle-mouvement d’air sur la surface de peau
4. Zone de refroidissement évaporatif direct
5. Zone de refroidissement évaporatif indirect
2.1.2.3 Données météorologiques de référence
1. Fichier source
2. Périodes de simulation
2.2 VARIABILITE DE L’AMBIANCE
2.2.1 Démarche méthodologique
2.2.2 Diagramme bioclimatique d’Antananarivo
2.2.3 Dynamique de l’ambiance à l’intérieur du bâtiment
2.2.3.1 Température intérieure
2.2.3.2 Humidité relative de l’air à l’intérieur du bâtiment
2.2.4 Variabilité du confort hygrothermique
2.2.4.1 Confort d’été
2.2.4.2 Confort d’hiver
2.3 CONCLUSION
CHAPITRE 3.IDENTIFICATION DES PARAMETRES RESPONSABLES DE LA VARIABILITE DE L’AMBIANCE A L’INTERIEUR DU BATIMENT TYPE
3.1 METHODOLOGIE
3.1.1 Analyse de sensibilité
3.1.1.1 Analyse de sensibilité globale
a. Décomposition de Sobol et indices de sensibilité
b. Estimation des indices de sensibilité
1. Méthode de Sobol
2. La méthode FAST (Fourier Amplitude Sensitivity Test)
3.1.1.2 Métamodèle et analyse de sensibilité
a. PCE (Polynomials Chaos Expansion)
1. Les polynômes unidimensionnels et les paramètres
2. Détermination des coefficients de PC
b. Indices de sensibilité (paramètres indépendants)
c. Indices de sensibilité pour des paramètres dépendants
3.1.1.3 Synthèse de la méthode
3.1.2 Les données météorologiques
3.1.2.1 Approche utilisée pour l’échantillonnage des données météorologiques
a. Echantillonnage des sollicitations
1. Méthode de Monté Carlo
2. Latin Hypercube Sampling
b. Induction des corrélations et/ou des auto-corrélations dans les échantillons
3.1.2.2 Application de la méthode aux données météorologiques
a. Conditions de création des données météorologiques
b. Les caractéristiques statistiques des données
1. Distributions de chaque paramètre
2. L’auto-corrélation de chaque paramètre
3. La corrélation entre les paramètres
c. Création des échantillons
3.1.2.3 Vérification des échantillons
a. La corrélation entre les paramètres
b. L’auto-corrélation de chaque paramètre
c. Couverture de l’espace
3.1.3 Estimation des influences de la variabilité des données météorologiques sur le confort hygrothermique
3.1.3.1 Démarche méthodologique
3.1.3.2 Influences générales des paramètres
a. Semaine typique de la saison chaude
b. Semaine typique de la saison froide
3.1.3.3 Dynamique des indices de sensibilité
a. Contributions marginales
b. Contribution de chaque paramètre sans leur contribution en corrélation avec les autres paramètres
c. Contributions totales
1. Semaine typique de la saison froide
3.2 CONCLUSION
CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
ANNEXES
