La simulation thermique dynamique une solution pour rafraichir les bâtiments ?

Qu’est ce qu’une simulation thermique dynamique aussi appelé STD ?

La simulation thermique dynamique est apparue dans les années 70. À cette époque, le modèle de calcul n’était pas aussi précis que les nouveaux modèles.  Grâce à ces nouveaux modèles de calcul, l’on va pouvoir appréhender l’évolution temporelle de l’état thermique d’un bâtiment. C’est à dire son comportement thermique suivant les températures extérieures durant toute une année, mais aussi les consommations en énergie de chauffage et climatisation.

Il y a bien plusieurs applications pour une STD. On peut tout à fait envisager de soi :

  • Dimensionner des installations thermiques complexes ou non, au plus proche des demandes du bâtiment
  • Estimer les consommations réelles énergétiques sur une année et donc éventuellement adapter son contrat énergétique ou en envisager un autre.
  • De procéder à une approche globale de l’éclairage afin de l’optimiser et réduire les zones sombres efficacement.
  • D’évaluer le confort d’hiver et d’été afin de suivre l’évolution des températures dans le bâtiment heure par heure sur une année.

Nous allons développer dans cet article cette dernière application de la STD qui traite sur le confort thermique en été.

En effet, le 17 août 2015 a été ratifiée la loi sur la transition énergétique pour la croissance verte.  Cette loi est issue d’un constat du au réchauffement climatique et qui à pour objectif de respecter le traité de la COP 21 à limiter la hausse des températures mondiales de 2°C d’ici 2050. Le constat est bien là, les températures risques d’augmenter un peut plus chaque année. Alors ci-celles augmentent les températures dans les bâtiments risque aussi d’augmenter ce qui va provoquer :

  • Une augmentation de l’énergie due au fonctionnement de la climatisation. Les bâtiments qui n’en possèdent pas seront tentés par ce système. Tandis que les autres la feront fonctionner plus longtemps.

Cela va générer également de l’inconfort au travail. Avec des températures avoisinent parfois les 43°C dans certains bureaux il devient de plus en plus difficile de travailler dans de bonnes conditions.

Bien sûr, dans certains bâtiments la climatisation est obligatoire pour des questions techniques. Dans ce cas une STD aura pour impact de diminuer la consommation énergétique issue de la climatisation. Pour d’autres, plus anciens, il sera très difficile d’installer une climatisation voir impossible. Donc la STD prend toute son importance afin de cibler les pièces les plus chaudes et trouver des solutions pour diminuer la température dans celle-ci.

Avant d’aller plus loin, fessons un point sur les paramètres d’ambiances.

Certains paramètres ne sont pas contrôlables et dépendent de la météo. Les paramètres dits d’ambiance sont les seuls sur lesquels nous pouvons agir. Alors quels sont-ils ?

La température opérative :

La température de l’air et la température des parois créent les conditions des échanges thermiques entre le corps humain et l’ambiance. On peut agréger ces deux températures en un seul paramètre, la température opérative (ou température résultante).

La température opérative ce calcul de la façon suivante : T°opérative = (T°air + T°parois) / 2

Pour ce calcul il faut que la vitesse de l’air ne dépasse pas les 0,2 m/s

L’humidité de l’air :

Elle crée les conditions des échanges thermiques par évaporation cutanée. Elle s’exprime habituellement en humidité relative HR, rapport exprimé en pourcentage entre la quantité d’eau contenue dans l’air à la température de cet air et la quantité maximale d’eau que peut contenir l’air (saturation) à cette même température. La plage de confort est suffisamment large, de 30 % d’humidité relative à 70 %, de sorte qu’en climat tempéré, l’humidité est rarement un facteur déterminant du confort.

La vitesse de l’air :

Elle favorise l’évapotranspiration et les échanges thermiques par convection. Ce faisant, la vitesse d’air abaisse la température de surface, ce qui est intéressant en été, mais gênant en hiver. Cet effet n’est vraiment sensible qu’au-dessus d’une vitesse de 0,20 m/s.

Mais alors quelle est la zone de confort en été optimal pour les personnes ?

Avant de parler de confort optimal en été, il faut bien comprendre d’où vient l’inconfort.

  • L’inconfort par asymétrie de rayonnement. Il provient d’une trop grande différence de température de rayonnement de paroi de chaque côté du corps. Cela est souvent le cas en hiver avec des parois froides dû à une mauvaise isolation.
  • Le gradient vertical traduit la différence de température entre la tête et les pieds. Mesuré entre 0,10 m et 1,10 m, un gradient de plus de 3°K est source d’inconfort,
  • La température de sol doit être normalement comprise entre 19 et 26°C pour ne pas créer d’inconfort.

Il existe plusieurs modèles de confort nous allons nous intéresser sur les trois principaux.

Tout d’abord le modèle de franger :

 Une personne ne ressentant aucune gêne ni stresse thermique liés aux conditions dans lesquelles elle évolue est généralement proche de l’équilibre thermique. Celle lui ci combine les paramètres d’ambiance cités plus haut (température d’air, température de paroi, humidité de l’air, vitesse de l’air et évapotranspiration se répartissant approximativement en parts égales). Paradoxalement c’est donc l’absence d’inconfort qui caractérise le confort thermique d’une personne. Le but est de calculer un indicateur de confort qui se mesure sur une échelle de sensation thermique à 7 niveaux. Sur cette échelle il y a deux indices toujours utilisés de nos jours pour quantifier le confort des usagés d’un bâtiment.

Le PMV (Predicted Mean Vote) le modèle a été conçu en confrontant les équations physiques avec des expériences réalisées en chambre climatique. Il a été validé, à la fin des années 70 par enquête statistique sur un grand nombre de personnes (500) placées dans des conditions thermiques données. Il permet de mesurer une sensibilité à différents paramètres comportementaux et d’ambiance. Selon le modèle de Fanger, des conditions optimales de confort (PMV compris entre -0,5 et +0,5) sont obtenues sur une plage de température d’environ 21°C à 26°C dans des conditions classiques de travail de bureau d’été.

Le PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied) est quant à lui le pourcentage prévisible d’insatisfaits. Il exprime la part des sujets insatisfaits dans un environnement donné.

Sur le modèle de Fanger a été construite la norme NF EN ISO 7730 qui est en vigueur aujourd’hui. Cette norme reprend les équations de Fanger pour le calcul du PMV et fixe des classes de PMV rapportées à 3 classes de confort A, B et C. La classe A (PMV compris entre -0,5 et +0,5) est la plus souvent retenue.

La norme introduit 2 notions nouvelles :

– le PPD (Predicted Percentage Dissatisfied), pourcentage prévu de personnes en situation d’inconfort, pour lequel Fanger avait défini une corrélation avec le PMV,

– des indicateurs d’inconforts locaux basés sur les turbulences (DR) ou les différences locales de températures (PA).

Le modèle de confort adaptatif :

Au début des années 2000, des travaux de l’ASHRAE55 montrent que le modèle de Fanger est valable, en été, pour les bâtiments climatisés, mais pas du tout dans les bâtiments ventilés naturellement. Des recherches ont conduit à une proposition des chercheurs d’inclure un standard de confort adaptatif (ACS) qui servirait d’alternative au modèle PMV défini dans la norme EN ISO 7730 ou dans la norme américaine ASHRAE55 pour les bâtiments ventilés naturellement.

La norme européenne EN 15251 de 2007

Applicable aux bâtiments ventilés naturellement, elle fait évoluer la 7730 et le strict calcul selon Fanger du PMV. La plage centrale (zone de confort A) correspond à un PMV compris entre -0,5 et +0,5. Une telle approche du confort adaptatif, appliquée au mois caniculaire de juillet-aout 2018, aurait donné comme plage optimum de confort (plage A) la plage [25 – 31°C]. Alors qu’une stricte application de la norme 7730 limite cette plage A à [22 – 26°C].