Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Constructions scolaires – Chauffage et ventilation“

Ce travail a pour but d'analyser l'influence de la présence d'un comble sur la consommation énergétique d'une construction. Des essais ont donc été menés sur une construction avec comble implantée à Bou Ismail au sein de l'Unité de Développement des Equipements Solaires (UDES). L’étude du comportement thermique de cette construction a été réalisée pendant les périodes hivernale et estivale. Des températures d'air de différentes zones thermiques de la construction ont été relevées et ont été comparées aux températures d'air calculées à partir d'un modèle numérique réalisé en utilisant le logiciel TRNSYS. Un modèle numérique calibré a pu ainsi être obtenu et a été utilisé pour réaliser différentes simulations numériques en faisant varier le taux de ventilation du comble. Les résultats des simulations ont permis de montrer que la diminution des besoins de climatisation est proportionnelle à l’augmentation du taux de ventilation du comble en été, et que la diminution des besoins de chauffage est proportionnelle à la diminution du taux de ventilation du comble en hiver.

Pour assurer une bonne qualité de l’air intérieur, la ventilation permet généralement de diluer les polluants. Cependant, pour les bâtiments situés à proximité de sources de pollutions, les systèmes de filtration et d’épuration de l’air apparaissent essentiels pour réduire le transfert des polluants de l’extérieur vers l’intérieur, et constituent également un levier de transition énergétique intéressant dans la mesure où ils permettent de limiter les déperditions d’énergie. Ainsi, cette thèse propose d’étudier comment modéliser les transferts d’air de l’extérieur vers l’intérieur d’un bâtiment, en prenant en compte son environnement extérieur local, et notamment la météorologie ainsi que les niveaux de pollutions extérieurs, afin d’évaluer la capacité des différents systèmes de ventilation, de filtration et d’épuration de l’air à assurer un air intérieur sain. Cette thèse de doctorat se déroulera dans deux types d'environnements différents : l'un est celui des bâtiments résidentiels, comprenant deux études sur une maison individuelle basse consommation et des logements sociaux rénovés. Le deuxième environnement étudié est celui des salles de classe rénovées dans une école. L'étude sur la maison basse consommation a permis de collecter des indicateurs de performance sur la QAI en étudiant divers polluants. Cette étude s'est caractérisée par une discrétisation spatiale et temporelle plus fine que la majorité des études et des mesures continues pour tous les paramètres étudiés, ce qui a permis l'étude de nombreux indicateurs de performance permettant une meilleure évaluation des effets sur la santé et une meilleure compréhension du transfert de polluants entre les pièces et avec l'extérieur. Ensuite, cette thèse reposera sur une analyse de données expérimentales inédites récoltées dans 69 logements sociaux rénovés situés à Lyon à proximité d’un tunnel et d’une autoroute à fort trafic, et équipés de divers systèmes de ventilation et d’une instrumentation en temps réel de la qualité de l’air intérieur. Elle inclura également des mesures sur une école, un travail exploratoire d’analyse de sensibilité et une étude numérique des performances à l’échelle du bâtiment de divers procédés de ventilation, de filtration et d’épuration de l’air
To ensure good indoor air quality, ventilation usually dilutes pollutants. However, for buildings located near sources of pollution, filtration and air purification systems is essential to reduce the transfer of pollutants from the outside to the inside, and also constitute an energy transition lever. interesting to the extent that they allow to limit the losses of energy. Thus, this thesis proposes to study how to model the transfers of air from the outside to the inside of a building, taking into account its local external environment, and in particular the meteorology as well as the levels of external pollution, in order to evaluate the ability of different ventilation, filtration and air cleaning systems to ensure healthy indoor air. This PhD thesis will take place in two different types of environments: one is residential buildings, including two studies on single low-energy house and multifamily social retrofit buildings. The second environment studied is renovated school classrooms. The study on a low-energy house allowed to collect performance indicators for indoor air quality by studying diverse pollutants. This study was characterized by a finer spatial and temporal discretization than the majority of studies and continuous measurements for all the parameters studied, which allowed the study of many performance indicators that allow for a better evaluation of health effects and a better understanding of the transfer of pollutants between rooms and with the outdoor. Then, this thesis will be based on an analysis of unprecedented experimental data collected in 69 renovated social housing units located in Lyon near a tunnel and a high traffic motorway and equipped with various ventilation systems and real-time instrumentation. the quality of the indoor air. It will also include school-based measurements, exploratory sensitivity analysis and a numerical study of building-level performance of various ventilation, filtration and air cleaning processes

L'étude réalisée concerne une installation de chauffage solaire-électrique de trois bâtiments industriels (usine Pernod Solaire). Cette installation comprend différents modes de chauffage : énergie solaire directe ou stockée, énergie électrique directe ou stockée, pompes à chaleur et batteries de récupération et deux types de distribution : aéraulique et hydraulique. Le système solaire est constitué de capteurs solaires plans à air couplés à des stocks de parpaings. Le chauffage électrique est assure soit par des batteries électriques, soit par des stocks à haute température chargés durant la nuit, soit par des pompes à chaleur. Des récupérateurs de chaleur sur l'air extrait complètent ces apports énergétiques. L'utilisation de ces sources est gérée par trois automates programmables supervisés par un ordinateur central. Un suivi des performances a été réalise pour assurer la mise au point de l'installation analyser ses performances et réaliser une optimisation. L'analyse des performances sur trois saisons de chauffage montre les améliorations réalisées au cours du temps. La productivité annuelle des champs de capteurs a augmenté de 36 à 53 kWh/m2. Pour la dernière saison, la fraction solaire atteint 15,5% et les autres apports gratuits couvrent 7,5% des apports totaux. La contribut10n de l'énergie solaire totale (actif + passif) est de l'ordre de 43% pour le bâtiment d'Administration. Une méthode mathématique a été développée afin de rendre les bilans énergétiques cohérents. Le savoir-faire acquis sur cette installation en matière de suivi a servi de base à l'élaboration d'une méthodologie de suivi de grandes installations solaires. Pour étud1er le fonctionnement des champs de capteurs et des stocks solaires soumise à des conditions aux limites et initiales variables, des modèles ont été développés en régime dynamique et validés sur les résultats expérimentaux.

Méthode numérique de prévision de la circulation de l'air à l'intérieur des bâtiments, en concentrant la recherche sur deux techniques. Modèles en pression, ne donnant pas d'informations sur les mouvements intérieurs à une zone. Simulation numérique de la convection naturelle, forcée et mixte en régime laminaire et permanent dans une cavité bidimensionnelle de taille réduite se rapprochant des configurations de bâtiment. Proposition d'un schéma généralisé de discrétisation des équations de la convection (modèles plus précis, phénomènes turbulents)

Dans le cadre industriel de la ventilation par déplacement, le rapport présente l'étude expérimentale du développement d'un panache thermique dans un milieu confiné et ventilé. Les expériences ont été effectuées, à l'aide de thermocouples, dans une cellule d'essai aéraulique (4,84́,25́,6 m3). La source de chaleur utilisée est un disque de 1,54 m de diamètre chauffé à 200 ʿC. La qualification de l'installation permet de connaître les régimes de fonctionnement optimaux et d'évaluer les parts relatives des échanges convectifs et radiatifs dans la cellule. Pour les grands débits de ventilation, le panache est compatible à celui développé en milieu infini. L'utilisation simultanée de 16 thermocouples permet de caractériser les structures thermiques qui y sont présentes. Pour des débits de ventilation plus faibles, une stratification en température apparaît dans la cellule. Son interface a une épaisseur non négligeable et sa position est repérée par celle du maximum des écarts types des fluctuations de température. L'évolution de la hauteur de cette interface est étudiée pour différentes conditions expérimentales. Les résultats permettent de conforter des lois déjà obtenues en zones proche et lointaine de la source. Ils conduisent également à proposer une loi de transition entre ces deux zones
Within the industrial framework of displacement ventilation, the report presents the experimental study of the development of a thermal plume in a confined ventilated surrounding. The experiments were carried out using in an aeraulic test room (4,84́,25́,6m3) by thermocouple probes. The used heat source is a 1,54m-diameter disc, heated at 200 ʿC. The qualification of the test facility makes it possible to know the optimal operation parameters and to evaluate the relative budget of convective and radiative exchanges in the chamber. For high supply flow rates, the plume is compatible with that developed in infinite medium. The simultaneous use of 16 thermocouples makes it possible to characterize the thermal structures which are present in the plume. For lower supply flow rates, a temperature stratification appears in the chamber. Its interface has a considerable thickness and its position is at the height which corresponds to the maximum of the temperature fluctuations standard deviations. The evolution of the interface position is studied for various experimental conditions. In the light of the experimental results, it possible to consolidate laws already obtained in zones close and remote of the source. They also result in proposing a law of transition between these two zones

Nous avons développé dans le cadre simulation du comportement thermique des processus de conception de cette étude un outil de bâtiments adapté à un processus de conception. L'outil en question doit permettre au concepteur de tester les variantes de ses propositions, ceci afin qu'il puisse progresser dans la définition de son projet, tout en restant compatible avec la vocation pluridisciplinaire du système général de conception. Pour répondre à ces exigences, nous proposons trois niveaux d'action : - Simplification des algorithmes de calcul des différents modes de transfert de chaleur et de masse. -Optimisation des procédures de calcul. Ceci peut être réalisé en introduisant un certain nombre de notions simples telles celles de pré-calculs, de modules, - Identification pour chaque type de problèmes, des variables susceptibles d'avoir une influence notamment lors de la phase de modification. Nous illustrerons ce point de vue à partir du problème de l'intermittence de chauffage.

L'humidité relative de l'air est un des paramètres les plus importants ayant une influence sur le confort, la qualité de l'air intérieur et aussi sur la performance énergétique et la durabilité des enveloppes. Les matériaux qui adsorbent et désorbent l’humidité peuvent être utilisés pour modérer l’amplitude des variations de l’humidité relative et ainsi améliorer le climat intérieur et diminuer les consommations énergétiques. Le transfert de masse dans les matériaux hygroscopiques, même si il est pris dans les simulations dynamiques des bâtiments, il est simplifié. Négliger le transport de vapeur d'eau entre l'air et le matériel, ou appliquer des simplifications peut entraîner de graves erreurs dans l'estimation de l'humidité de l'air. L’objectif de ce travail de thèse est d’examiner les paramètres influençant l’échange hygrique entre l’air intérieur et les matériaux de construction dans des conditions normales d’utilisation. Ce travail a été divisé en deux parties : expérimentale et numérique. Comme les propriétés hygrique des matériaux ont un impact important sur les transferts de masse, des mesures détaillées de la perméabilité à la vapeur et de l’isotherme de sorption ont été effectué. Aussi les coefficients convectifs de transfert de masse ont été mesurés. Le critère d’absorption de masse a montré que le taux de celui-ci ne dépend pas seulement du matériel et des revêtements, mais aussi de la température et le mouvement d’air intérieure. L’expérimentation sur l’évaporation de l’eau sur la surface libre d’un liquide a montré que le coefficient convectif de transfert de masse dépend du potentiel de transfert. Il a été présenté que pour les petites différences dans le taux d'humidité relative, le coefficient de transport est plus petit. Les mesures du coefficient convectif de transfert de masse à partir d'un matériau mince hygroscopique ont montré que la valeur du coefficient ne dépend pas seulement de la différence dans le potentiel de transfert, mais aussi du niveau de potentiel. Pour la même différence, les coefficients convectifs de transfert ont des valeurs inférieures pour des faibles niveaux d'humidité relative. Il a également été montré que le coefficient convectif de transfert de masse a des valeurs inférieures pour les échantillons en position verticale que dans la position horizontale. Dans la dernière partie de cette thèse, un nouveau modèle numérique Humi-mur, pour les simulations du flux massique échangé entre l’air et le matériau a été développé et présenté. Le modèle permet une représentation précise des propriétés hygriques : la perméabilité à la vapeur d’eau et l’isotherme de sorption. L’aspect pratique du modèle l'Humi-mur a été présenté. Les résultats montrent que le tampon d'humidité dans les matériaux peut améliorer la perception de la qualité de l'air et empêcher la croissance microbiologique à la surface de l'enveloppe du bâtiment. Il a également été souligné que négliger les effets d'hystérésis de sorption sur les flux d'humidité peut entraîner de graves erreurs dans les calculs
The aim of this thesis was to study the mass exchange between indoor air and material. The influence of several factors on moisture transfer has been verified. Also the convective mass transfer dependency on the relative humidity condition and position of the material has been checked. Finally, a new module with the sorption hysteresis model, Humi-mur, for calculations of mass flow exchanged between indoor air and material has been developed, validated and integrated into the whole building simulation tool TRNSYS. This powerful tool was used to simulate a realistic room under real climatic conditions. The tests on mass uptake have shown that the rate of mass uptake depends not only on the material and coatings but also, some relationships between mass flux and air movement and temperature have been found. The experiment on water evaporation from a free liquid surface showed that the convective mass transfer coefficient depends on the driving potential value. It was presented that for the smaller difference in the relative humidity the transport coefficient is smaller. The measurements of the convective mass transfer coefficient from a thin hygroscopic material showed that the value of the coefficient depends not only on the difference in the driving potential but also on the level of the driving potential. For the same difference the convective transport coefficient has lower values for a lower level of relative humidity. It was also shown that the convective mass transfer coefficient has lower values for samples in a vertical position than in a horizontal position. Finally, the practical use of the Humi-mur model has been presented. The results show that moisture buffering materials can improve perceived indoor air quality and prevent microbiological growth at the surface of the building envelope. It was also pointed out that neglecting the effect of sorption hysteresis on moisture flux can lead to errors in calculations

Afin de concevoir des systèmes énergétiques (chauffage, rafraîchissement, ventilation) et de prédire leurs performances en terme de confort thermique et de qualité de l'air, l’estimation des détails des écoulements et des transferts de chaleur au sein des locaux représente un enjeu important. Les modèles zonaux, qui reposent sur un découpage d’une pièce en un petit nombre de sous-volumes permettent d'appréhender l'hétérogénéité des caractéristiques thermo-aérauliques d'un espace avec des temps de calcul modérés. Ils correspondent à un bon compromis entre simplicité des modèles et volumes d'informations utilisables pour contribuer à la qualification des ambiances. Si de nombreux progrès ont été réalisés pour l'automatisation de la construction des modèles zonaux à partir d'un maillage du volume et du choix des modèles à utiliser, ces deux tâches restent encore à la charge de l'utilisateur alors qu'elles requièrent une bonne connaissance de la modélisation et de l’expérimentation dans le bâtiment. Il reste un travail important à faire pour minimiser l’intervention du modélisateur. Notre recherche consiste à proposer un générateur automatique de modèles zonaux permettant essentiellement d’affranchir l’utilisateur du choix des modèles des écoulements spécifiques présents dans un local et du partitionnement de ce dernier. L’outil de simulation dynamique baptisé « O-Zone », est basé sur une nouvelle approche des modèles zonaux. Cette approche repose sur un partitionnement de la pièce adapté aux écoulements particuliers en présence. La méthode choisie pour le partitionnement est celle des arbres octaux ou Octree. C'est une représentation hiérarchique de l'espace qui repose sur la subdivision successive et récursive d'un cube en huit cubes plus petits
In order to design HVAC systems and to predict their performances in term of thermal comfort and indoor air quality, the estimation of airflows details and heat transfers within the buildings zones represents an important stake. Zonal models are based on dividing the considered room into a small number of sub-zones. They can appreciate the heterogeneity of the thermal and aerodynamic characteristics of an air space with moderate computing times. These models represent a good compromise between simplicity of models and quantity of data useful in order to contribute to the qualification of environments. If much progress is made to automate the zonal models construction from an air space partitioning and a choice of the models to be used, these two tasks are still spring of the user whereas they require an important modelling expertise and experimentation in the building. There remains an important work to make in order to minimize the user’s intervention. In this research, we propose an automatic generator of zonal models that make it possible to free the user from the choice of the specific flows models present in a room and her partitioning. The dynamic simulation tool called “O-Zone” is based on an advanced formulation of zonal models. It uses on a new way of sub-dividing the room which allows us to obtain a partitioning based on airflow patterns. The selected method for partitioning is the Octree method. It is a hierarchical representation of the space which is based on the successive and recursive subdivision of a cube in eight smaller cubes

Le point de départ de ce travail est la connaissance et l'analyse des différentes stratégies de résolution des ensembles d'équations du problème thermo-aéraulique dans le bâtiment. La question que nous nous sommes poses était: quel est la bonne stratégie à employer pour un problème donne ? Pour essayer de répondre a cette question, nous avons mis en œuvre le code cobra. Plusieurs cas de simulation ont été élaborés afin d'observer les réponses des différentes stratégies. L'analyse de ces simulations nous a permis de proposer une expertise d'utilisation, ou les principaux aspects sont: la mise en œuvre informatique, la taille des systèmes à résoudre, la manipulation des paramètres numériques, la compatibilité avec d'autres codes de simulation existants et la qualité des résultats
The starting point of this work is the knowledge and the analysis of the different strategies of resolving the Air Flow-Thermal sets of equations applied to building physics. The question we were faced to was: which is the best strategy of resolution to a specific problem? In order to tr to answer this question we developped COBRA. Many case studies were created to observe the answers of the strategies face to different situations. The analysis of the simulations allowed us to propose an expert use of the strategies, where the main points were the computational efforts needed to build up the routines, the dimensions of the resulting equation sets , the manegent of some numerical parameters, the compatibility with other simulation softwares and the quality of the results

De nombreux procédés industriels utilisent ou génèrent des sources chaudes : fours, traitement de surface, soudage…Les dégagements de chaleur s’accompagnent généralement d’une dispersion de polluants dans l’atelier. Ainsi, la caractérisation des panaches de convection naturelle des sources thermiques est nécessaire au dimensionnement des installations de ventilation (hotte ou ventilation générale par déplacement d’air) pour l’assainissement des ambiances de travail. L’I.N.R.S a mis au point une méthode expérimentale pour caractériser en vraie grandeur le panache de sources thermiques de géométrie simple. Un banc d’essais a été réalisé et instrumenté à cet effet. Il est constitué d’une cellule aéraulique dont les dimensions sont 4,2 m x 4,8 m x 5,6 m équipé d’une centrale de traitement d’air et d’un système de ventilation permettant un déplacement vertical des flux d’air. La cellule est équipée d’un robot de déplacement tridimensionnel permettant le positionnement de sondes de température et de vitesses en tout point du volume. Les expérimentations menées étudient l’influence de la géométrie de la source sur les lois de développement de panache à partir de mesures de champs de température et de vitesse. Pour une même puissance thermique convectée, la géométrie des sources sera variée pour identifier son affluence sur le développement du panache. Une source cylindrique composée de cinq éléments d’aires identiques (4 cylindres identiques superposés et un disque supérieur) régulés indépendamment en température permettra de mener des études paramétriques sur des sources tridimensionnelles. De manière similaire une source rectangulaire modulable sera utilisée
Many industrial processes use or generate hot sources: furnaces, surface treatment, welding... the releases of heat are generally accompanied by a dispersion of pollutants in the workshop. Thus, the characterization of the plumes of natural convection of the thermal sources is necessary to the dimensioning of the installations of ventilation (exhaust system localised or general ventilation by air volume displacement) for the cleansing of environments of work. I.N.R.S developed an experimental method to characterize in real-scale the plume of thermal sources of simple geometry. A test bench was realised and instrumented for this purpose. It consists of an aeraulic cell whose dimensions are 4,2 m x 4,8 m x 5,6 m equipped with a power station of treatment of air and with a system of ventilation allowing a vertical displacement of flows of air. The cell is equipped with a robot of three-dimensional displacement allowing the positioning of speed and temperature sensors in any point of volume. The carried out experiments study the influence of the geometry of the source on the laws of development of plume starting from measurements of fields of temperature and speed. For the same convective thermal power, the geometry of the sources will be varied to identify its multitude on the development of the plume. A cylindrical source made up of five elements of identical surfaces (4 superimposed identical cylinders and a higher disc) controlled independently in temperature will make it possible to undertake parametric studies on three-dimensional sources. In a similar way a flexible rectangular source will be used