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Simulations dynamiques


Le calcul dynamique : Une autre approche

Un pas de plus vers la maîtrise des phénomènes physiques.

Les outils couramment utilisés par les bureaux d'études (logiciels du marché et feuilles de calcul « maison ») ne permettent pas d'approcher correctement les phénomènes thermiques complexes comme la géométrie solaire, l'inertie du bâti et des systèmes, les phénomènes transitoires, le comportement sur de longues périodes, des données météo plus précises, des données de rayonnement solaire, etc.

Les dimensionnements sont de ce fait « confortables », induits par la prudence et l'expérience « sur le tas ». Ils pénalisent souvent les rendements d'exploitation et toujours les investissements. Il se peut même que des options ne soient pas retenues du fait qu'il est impossible de montrer leur opportunité.

Par habitude, mais également par sagesse sécuritaire, les solutions sont souvent reproduites à l'identique. Ainsi, l'évolution des performances, l'amélioration du confort, l'adaptation des systèmes aux programmes spécifiques des maîtres d'ouvrages ou encore l'adéquation aux partis architecturaux innovants ne se fait pas.

Afin d'affiner les investigations techniques, les dimensionnements et les calculs, ITF utilise des outils permettant l'optimisation de la pratique de notre métier par le calcul dynamique, et ce depuis le début de l'année 2000. La formation des collaborateurs d'ITF a été organisée pour généraliser l'usage de ces outils à l'ensemble du personnel technique, puisqu'en plus de maîtriser la physique du bâtiment, il est désormais nécessaire de se familiariser avec les processus de calculs numériques.

Les simulations dynamiques des bâtiments et des process sont réalisées via l'outil numérique TRNSYS, de manière à approcher plus finement la réalité physique des systèmes et donner ainsi plus de fiabilité et de sécurité à nos choix et dimensionnements.

TRNSYS est un logiciel "ouvert", distribué dans le monde entier et développé depuis 1975 par une communauté internationale, composée notamment du Solar Energy Laboratory (SEL) de l'Université du Wisconsin aux USA, du CSTB Sophia Antipolis de Nice, de Transsolar Energietechnik GmBH de Stuttgart et de Thermal Energy Systems Specialists (TESS) de Madison aux USA.

ITF a participé à un groupe de travail avec l'ADEME et le CSTB pour développer des "types" TRNSYS adaptés à l'ingénierie.

Exemples d'application

Études de confort

Évaluation numérique du confort thermique estival dans des logements

Étude numérique du comportement thermique du bâtiment en tenant compte de son implantation, de son environnement plus ou moins proche (masques solaires proches et lointains), de conditions météo locales standards et caniculaires, de son architecture, de son utilisation...

Tests via l'outil numérique de l'efficacité des dispositifs mis en place pour optimiser le confort des occupants dans les logements (protections solaires, stratégie de ventilation nocturne naturelle...) ou des éventuelles rectifications architecturales à apporter.

Évaluation du confort thermique estival dans une gare

L'étude thermique dynamique a été couplée à une étude CFD pour intégrer les débits d'infiltration d'air dans la gare, compte tenu de la force et de la direction du vent à proximité de celle-ci et de la disposition des ouvertures.

Cette étude a permis d'observer l'efficacité d'une ventilation naturelle dans le complexe ferroviaire, pendant la saison chaude notamment, afin de limiter les risques de surchauffe sous la toiture en verre.

Études Énergétiques

Estimation des consommations/productions énergétiques d'un bâtiment tertiaire à énergie positive

Les simulations thermiques dynamiques ont permis de valider le concept de dalles actives pour chauffer et rafraichir le bâtiment. Une estimation des consommations énergétiques liées à son chauffage et rafraichissement a ainsi pu être menée.

Les consommations énergétiques tous usages (équipements électriques, informatiques, serveurs...) ont ainsi pu être cumulées aux consommations courantes propres du bâtiment (chauffage, rafraichissement, ventilation, éclairage) pour tendre vers un bâtiment à énergie positive, tous usages confondus.

Simulations thermiques d'une école d'ingénieur - demande en chauffage - rafraichissement

Études de simulations thermiques menées en conception parallèle d'un lycée et d'une école d'ingénieur. Concept de dalle active pour chauffer et rafraichir le bâtiment.

Le confort d'été dans la zone séparant la partie salle de classe de la partie atelier a été observé par simulations thermiques dynamiques.

Expertises

L'outil de simulations thermiques dynamiques permet d'identifier et pointer des défaillances techniques ou architecturales, qui perturbent le confort des occupants jusqu'à rendre inoccupable certains locaux.

ITF a été sollicité pour résoudre des problèmes de surchauffes excessives dans des bureaux largement vitrés, rendus inconfortables en raison d'une exposition solaire excessive, avec des températures mesurées supérieures à 30°C dans les bureaux, même pendant la saison hivernale.

Les simulations thermiques ont permis d'identifier les causes de ces surchauffes, et de tester différentes alternatives proposées pour tendre vers de bons niveaux de confort en évitant de solliciter le système de rafraichissement tout au long de l'année, comme décrit sur la courbe ci-contre (demande en froid en bleu).

Des cas d'études similaires en établissement scolaires ont également été traités, avec des températures excessives observées dans certaines salles de classe.

Les simulations thermiques ont permis de déceler un disfonctionnement du système de ventilation ainsi qu'une surchauffe excessive des parois extérieures légères, derrière un bardage en corten. Les simulations thermiques ont été confrontées à des mesures sur site pour ajuster le modèle et proposer ainsi des solutions possibles d'amélioration.

Rénovation

Les simulations thermiques dynamiques sont également utilisées dans des projets de rénovation, pour modéliser l'existant, approcher les économies d'énergie réalisables compte tenu des modifications apportées, valider les solutions techniques proposées et étudier des points clés de la rénovation.

Complexes piscine - patinoire

Étude thermique d'un complexe piscine-patinoire à Toulouse, avec estimation de la dépense énergétique du complexe, compte tenu de l'évaporation des bassins, des systèmes de ventilation et de leur régulation, des apports interne, etc.

Une équipe forte
de 20 personnes

Des responsabilités verticales et un interlocuteur unique pour chaque projet - Un auto-contrôle interne conforme ISO9001 - Des ressources internes transversales (environnement, simulation dynamique, urbanisme) - Un contact direct et réactif avec les chargés d’affaires - Des prises de décision et des actions rapides.