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1. OOOO ECO EGIL OLLI LL LODE LOGS bs a b RS at ke Bo TE th e Ke Chambres F i s am val KA RS s bx i So e Sa m 12 00M2 1 KA j KA Ra i RSI AF eq J N Ky N p lt d SU Kd in ra jil os cy Re A be be RS KA a 41 75M2 11 782 Rs gt De x So Bo KA KA RY Nes a 374 7 374 Be s i R jet ejour bd Chambre 2 ambre 3 Sa i eens res LOKI a i IXXXXXXXS SEPARE BALCON Bouche d insuflation e A GGOVR O Bouche d extraction PANNEAUX SOLAIRES DEVANT BALCON Figure 2 19 R seau de ventilation air ext rieur Air vici Air neuf r chauff R sistance Figure 2 20 Sch ma de l changeur 53 ANR Ne fel 00768506 version CHAPITRE 2 La probl matique des incertitudes en regard d une plateforme d exp rimentation 25 Temp rature C 2 Soufflage par ventilation air neuf 3 Aspiration par ventilation air neuf 4 Soufflage par ventilation air vici ere 5 Aspiration par ventilation air vici 10 01 02 05 02 09 02 13 02 17 02 21 02 25 02 01 03 Figure 2 21 Temp rature d air aux extr mit s de l changeur pour le mois de f vrier 2011 avec an air neuf et av air vici Si on consid re l galit des d bits MCp an MCP av l efficacit est gale T T 1 TT 2 3 La figure 2 22 repr sente l efficacit de l changeur pou
2. simulation Temp rature air souffl e au RDC 5 i j 4 i z i 305 25 Temp rature C o oa 1 01 02 05 02 09 02 13 02 17 02 21 02 25 02 Figure 3 17 Comparaison entre la mesure et la simulation pour la temp rature d air souffl e au RDC de la maison I DM liorer le mod le num rique il faudrait conna tre l influence de ces param tres dont les valeurs sont incertaines pour savoir s il y a un int r t am liorer la pr cision de leurs mesures 3 R seau de ventilation La figure 3 17 repr sente les temp ratures d air dans le r seau de ventilation pour le mois de f vrier Pour la mesure deux temp ratures sont repr sent es la temp rature d air apr s la r sistance et la tem p rature d air la bouche de soufflage de la zone repas Pour la simulation c est la temp rature d air souffl e au RDC qui est repr sent e sur la figure La temp rature simul e est inf rieure de 5 C la temp rature mesur e apr s la r sistance lectrique Or ces deux temp ratures devraient tre quivalentes Cet cart pouvant soit tre dus la puissance de la r sistance lectrique consi d r e inf rieure dans la simulation ce qui a t install ou au fait que la temp rature d air mesur e soit biais e par le rayonnement de la r sistance Dans la simulation la temp rature d air souffl e dans les zones est nettement sup rieure la r alit du fait certainement des nomb
3. 4 4 4 4 4 eb ee ew ee 135 4 3 4 Analyse de sensibilit globale 138 4A ON e r spa oe eee oe ee Oe BES Oe PA ew eee 143 Conclusion et perspectives 145 Annexes 149 aP Mac eiie 68506 version tel 007 Lettres latines Notation Unit alb Cp ns g h m he W m2 K L m m kg s Q m h S m Si Sti Sim Sista Sid Tij t T CC ou K U m s U W m2 K V T Nomenclature Signification alb do capacit calorifique paisseur facteur solaire hauteur coefficient d change convectif longueur d bit massique d bit volumique surface indice de sensibilit indice de sensibilit total moyenne de l indice de sensibilit r duit cart type de l indice de sensibilit r duit distance de l indice de sensibilit r duit r sidu degr de corr lation entre deux param tres i et j temps temp rature vitesse coefficient de d perdition volume largeur xiii Ti eerie fe1 00768506 version Lettres grecques Notation Unit Signification W m K conductivit thermique nm longueur d onde n efficacit p kg m masse volumique W m flux de chaleur AT C incertitude des temp ratures d air UT C moyenne des temp ratures d air OT C cart type des temp ratures d air Indices Notation Signification ae ext rieur int int rieur an air neuf a air vici
4. la transmission du vitrage ext rieur la r flexion du vitrage int rieur Maison RT2005 figures 4 10 Pour le besoin de chauffage de la maison RT2005 les familles des param tres les plus influents sont le param tre relatif au syst me nerg tique le d bit de ventilation les param tres relatifs l isolation du b timent l paisseur de la laine de verre la conductivit de la laine de verre l paisseur du polystyr ne extrud la conductivit du polystyr ne extrud les param tres influents relatifs aux caract ristiques physiques des vitrages la transmission du vitrage ext rieur la r flexion du vitrage int rieur le param tre de d faut d tanch it le d bit d infiltration le param tre de convection int rieur vertical la r flexion du sol albedo 108 NE en fel 00768506 version d 4 2 Cas 1 Incertitude sur les besoins en chauffage et le confort dans trois b timents paisseur de la chape paisseur poutrelle entrevous du plancher interm diaire chaleur sp cifique de la chape masse volumique de la chape conductivit de la chape paisseur de la dalle du plancher interm diaire paisseur du carrelage transmission Vitrage ext rieur double masse volumique poutrelle entrevous du plancher interm diaire chaleur sp cifique poutrelle entrevous du plancher interm diaire conductivit du carrelage masse volumique de la dal
5. L analyse de sensibilit locale permet avec un grand jeu de param tres et un faible nombre de simulations d obtenir une information qualitative sur les param tres in fluen ant le plus la sortie du mod le Elles A Saltelli 2008 56 sont simples mettre en place et sont id ales lorsque le nombre de facteurs d entr e est trop im portant pour appliquer directement une analyse de sensibilit globale Dans cette m thode un seul param tre varie la fois les autres restants a leur valeur nominale ce qui vite les probl mes d effets d annulation lorsque les effets de deux facteurs ayant des influences sur la sortie s annulent entre eux Cette grandeur permet de conna tre l effet du param tre 7 sachant que sa variation autour de sa valeur nomi nale x est faible ce qui permet de garantir le crit re de lin arit La diff rence Zi o un r le important Elle doit tre suffisamment faible pour que cette analyse soit valide et suffisamment grande pour ne pas engendrer de probl me num rique Cette m thode demande un nombre de simulation N gal au nombre de param tres k plus un N k 1 En consid rant un mod le avec k facteurs d entr es ind pendantes et pour une valeur de X donn e l indice de sensibilit r duit du i facteur d entr e est d fini comme Oyr t O XD 1 4 L approximation num rique est d finie comme Ay t Y X1 X en 3 Xk Y X1 X
6. Le choix de la plage d incertitude est plus complexe et peu d information existent dans la litt rature Pour certains param tres l incertitude est d finie et connue c est le cas de la conductivit des mat riaux car les mesures effectu es par le CSTB ont une incertitude de 5 et cette valeur sera consid r e pour toute les conductivit s Les caract ristiques des vitrages sont connues avec une incertitude de mesure de 3 Les paisseurs les mat riaux ont des incertitudes lev es sur leur fabrication part pour le polystyr ne extrud dont la pr cision de la fabrication est fiable 3 La laine de verre est un mat riau souple une incertitude de 10 a t consid r e et pour les paisseurs des mat riaux composant la structure 10 d incertitude a t consid r e car ces mat riaux sont con us sur le chantier et leur fabrication est soumise de nombreuses incertitudes Concernant les param tres des d bits de ventilation et d infiltration une incertitude de 10 a t consid r e due la mesure de ces param tres Pour la r partition du d bit entre le RDC et l tage une plage de 20 d incertitude a t consid r e cette plage est plus lev e que le d bit de ventilation car on a une grande m connaissance sur la valeur exacte de la r partition du d bit Pour les paisseurs des carrelages leur fabrication est effectu e en usine il y a moins d erreur de conception l incertitude consid r e est
7. 1 efficacit de l changeur BB total 2 d bit d infiltration 3 paisseur laine de verre 4 paisseur poutrelle entrevous du plancher interm diaire 5 conductivit de la chape 6 paisseur de la chape 7 d bit de ventilation 8 paisseur de la dalle du plancher interm diare 9 r partition du d bit de ventilation 10 r flexion vitrage int rieur 11 chaleur sp cifique de la chape 12 conductivit laine de verre 13 transmission du vitrage ext rieur 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 param tres Figure 4 19 R sultat de l analyse de sensibilit globale pour le besoin de chauffage pour la maison I DM indice de sensibilit Correspondance des param tres ter ordre 1 fficacit de l changeur EH total 2 paisseur poutrelle entrevous du plancher interm diaire 3 paisseur de la chape 4 conductivit de la chape 5 d bit de ventilation 6 r partition du d bit de ventilation 7 paisseur du polysytyr ne extrud mur ext rieur 8 chaleur sp cifique de la chape 9 paisseur du carrelage 10 r flexion vitrage int rieur 11 conductivit du polysytyr ne extrud mur ext rieur 12 paisseur de la dalle du plancher interm diare 13 transmission du vitrage ext rieur 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 param tres Figure 4 20 R sultat de l analyse de sensibilit globale pour le besoin de chauffage pour la maison I BB 122 T
8. 10 et un indice du premier ordre gal 0 14 Or pour la I BB l isolant des parois verticales est du polystyr ne extrud qui est un mat riau rigide l incertitude sur la valeur de son paisseur est faible gale 3 et son indice de sensibilit du premier ordre est gal 0 03 Les paisseurs des isolants sont des param tres influents et plus leurs incertitudes sont lev es plus l effet sur le besoin de chauffage est grand L utilisation de mat riaux dont la connaissance est meilleure permet donc de r duire l incertitude sur le besoin de chauffage Dans le cas des maisons I DM et I BB les indices de sensibilit totaux sont tr s sup rieurs ceux du premier ordre tandis que pour la maison RT 2005 ils sont presque quivalents ce qui prouve que dans le cas des maisons I DM et I BB il y a plus d interaction du fait de la pr sence des mod les de syst mes nerg tiques Dans le cas de la maison RT 2005 le mod le est tr s simplifi avec un chauffage id al et une ventilation simple flux alors que pour les maisons I DM et I BB le mod le du systeme nerg tique est complexe avec un changeur une r sistance lectrique un d bit r parti entre les niveaux et un transfert d air entre les deux zones Dans le cas du besoin de chauffage pour les simulations des maisons I DM I BB et RT 2005 l analyse de sensibilit locale a permis de s lectionner un nombre r duit de param tres influents L analyse de sen
9. DI Ke Ki CHAMBRE 2 CHAMBRE 3 Ke I e bY 11 7542 44 7542 KA 5 K DS KA K pa x i RS Kd RS be IX KA KA X X Ki Ka xX i KA RS ot we rng 72 potter capes see eee MS ALLOCOVR ALLOQOVR 8 amp BALCON Te one je on ne in i ji gi Si PANNEAUX SOLAIRES DEVANT BALCON i T i 255 140 120 140 165 i t ta t ET ER t Figure 38 Plan de l tage de la maison I BB 153 wee eee e S amp RACCORDE AL IMENTE 4 a g 82 5 4 E g 3 AL 2 un sie z m e amp amp DAME SN fe1 00768506 version Annexe D Composition des parois et propri t s thermo physique des mat riaux des maisons I DM et I BB Mur ext rieur Maison I DM 510 35 Mur ext rieur Polystyr ne 20 0 030 1400 Polystyr ne 20 0 030 35 1400 LDM amp LBB Cape b ton 5 1 200 o Combes Plancher interm diaire DM amp EBB Chape b ton 8 175 2400 1200 100 Table 8 Propri t s thermo physique des mat riaux de constructions des parois opaques des maisons I DM et I BB 154 Th eter we fel 00768506 version W m K 0 165 Mur ext rieur Maison I DM paisseur 50 cm Mur ext rieur Maison I BB paisseur 35 cm Plancher bas I DM amp I BB paisseur 42 cm Combles I DM amp I BB paisseur 41 cm Table 9 Coefficient de transmission thermique des parois des maisons I DM et I BB Emissivit ext rieur Emissivi
10. Nae 202 M version tel 00768506 Annexe C Plan de la maison b ton a 3 xa owi INES 2 COUPE DE PRINCIPE 28 1 50 Plans by 43 403 09 PENTE SOx TUILE ALPHA 10 GLORIS ARDOTSE pogorelo iongeur ca J sodriera 5 3025 ie bois oe esuriens 6 50 ca 2 traverses Be Goble fa davont fs isolon Vent ate i ES l EEEN V FE mister AVON Pa Veni aN ae ANSE wa aw con BANANE iy Figure 36 Coupe de principe de la maison I BB 152 Dec2di 2 aS tel 00768506 LLX ce za LXXX 7o 4 m2 26 x 5 d XXE cx gt 1 x nos XX IZ A x LA z KA KZ ts T name S atoom 4 L 5 w sss aT lj s i oe F x w i ALLIS VO NON ALIMENTE j RACCORTE ee lt gt KAA RERAICRS gt Figure 37 Plan du RDC de la maison I BB 820 485 60 275 i t Hat T 4 m 2 bo BAIGNOIRE RACCORDEE s BAINE TECH VHG FPE EN EAU ET BRANCHE AUX EP cnipioh siai dome de tas Fosse Tu i 1 e a No SA Nol RS CHAMBRE 1 RS 12 00M2 by S x 1 8 H Sj 5 a amp 4 ges X _ __ i Ka KX 1 KA X K g ei Ky
11. et a t obtenue en optimi sant la conductance des parois opaques les caract ristiques des vitrages ou encore la perm abilit lair de l enveloppe 2 1 2 1 Pr sentation de la g om trie commune La forme des maisons est compacte et simple et les maisons ont une g om trie int rieure tr s proche pour pouvoir tre compar es Les maisons exp rimentales ont une hauteur sous plafond de 2 4m l tage et de 2 7 au rez de chauss e avec les faux plafonds Les dimensions int rieures sont de 7 5m en longueur et de 6 5m en largeur pour une surface habitable de 89m dont les plans sont sur la figure 2 3 Les maisons sont baties sur un vide sanitaire de 0 80m de hauteur et comportent deux niveaux habitables surmont s par des combles ind pendants du volume chauff L orientation des fa ades nord est d cal e de 15 3 par rapport l axe nord sud dans le sens antihoraire La toiture est deux pans avec une orientation Nord Sud et un d bord de 0 60 m l est l ouest et au nord La fa ade sud pr sente de larges baies vitr es prot g es du soleil estival par un balcon d une longueur de 1 3 m de et d une avanc e de toit d une longueur de 1 m La fa ade nord pr sente deux petites ouvertures quip es de menuiseries triple vitrage afin de minimiser les pertes thermiques durant la p riode hivernale Le vide sanitaire et les combles sont des volumes non chauff s l instrumentation dans ces volumes permett
12. Autres notations et abr viations Notation Signification CVC chauffage ventilation climatisation DJU degr s jour unifi Ext ext rieur Int int rieur R coefficient de d termination RDC rez de chauss e SRC coefficient de r gression standardis s dm eiie fe1 00768506 version d 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 17 1 8 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 2 7 2 8 2 9 2 10 2 11 Table des figures Tour Elithis Dijon photo DR image fournie par Elithis 3 Consommation et production de la tour Elithis conception occu pation Source A Lenoir 2010 35 4 Besoins de chauffage degr s jours unifi s et rayonnement direct moyen annuel pour les ann es de 1990 1999 et pour la r f rence de la maison I DM du climat de Gen ve 5 Besoins de chauffage puissance maximale de chauffage et temp rature d air int rieur pour trois jours en t avec six outils de simulation appliqu s au cas de la maison I DM Source A Brun et al 2009 9 9 Description de la m thode d analyse de sensibilit globale 22 Variation du besoin de chauffage en fonction de la valeur de l efficacit de l changeur pour la maison I DM 24 Les trois techniques d chantillonnage 26 Les deux distributions utilis es la distribution uniforme et la distri tion normale 2 2 Russe ee SNS Rue Dear id es 2T La plat
13. L analyse d incertitude a permis de consid rer le besoin de chauffage dans une plage d incertitude mais elle n a pas permis de quantifier l effet de l incertitude du param tre sur le r sultat du besoin de chauffage L analyse de sensibilit globale en appliquant la m thode FAST a t utilis e Cette m thode est co teuse en temps de calcul elle permet d identifier l effet du param tre sur la sortie du mod le en consid rant l incertitude du param tre Pour chaque mai son les param tres les plus influents dans leur plage d incertitude ont t d termin s Certains param tres comme la transmission du vitrage ext rieur se sont r v l s tr s peu voire non influents pour les trois maisons D autres comme le d bit de ventila tion se sont r v l s influents dans tous les cas Une diff rence qui peut tre remarqu e entre les b timents performants et la maison RT2005 est le nombre de param tres consid r s comme influents Pour l analyse de sensibilit locale dans le cas de la RT2005 cinq param tres ont des indices de sensi bilit r duit sup rieurs 0 2 tandis que plus de 10 param tres pour les maisons I DM 126 aP Mac eiie tel 00768506 version 1 4 3 Cas 2 Incertitudes associ es aux temp ratures d air int rieur et I BB Le m me rapport est observ dans le cas de l analyse de sensibilit globale pour l indice total Pour le cas de la maison RT2005 trois param tres ont des indices to
14. Le langage de programmation des outils DOE 2 et BLAST tait le FORTRAN Les d veloppeurs d EnergyPlus ont souhait r aliser un outil modulaire et qui puisse tre en continuel d veloppement Ils ont choisi le langage de programmation FORTRAN 90 La figure 3 2 d crit l ensemble de l environnement ainsi que les programmes cou pl s EnergyPlus 2 LBNL Lawrence Berkeley National Laboratory 70 dm en fel 00768506 version 3 2 Description de l outil num rique EnergyPlus De nombreux quipements CVC sont d velopp s comme diff rents panneaux so laires plusieurs type de ventilateurs de pompes d changeurs mais la principale difficult est d assembler ces composants pour r aliser le syst me nerg tique voulu Les interfaces graphiques permettant l assemblage des composants sont en cours de d veloppement et vont permettre de faciliter la mise en oeuvre des syst mes CVC Le manque d interface graphique est actuellement un des inconv nients d Energy Plus Le NREL d veloppe un plugin Open Studio permettant la saisie graphique du b timent et de ses diff rentes zones thermiques ainsi que la saisie graphique des syst mes nerg tiques M me si le d veloppement de nouveau mod le dans Energy Plus est possible l utilisation de langage de programmation plus r cent est de plus en plus favoris e comme par exemple l utilisation du langage Modelica qui permet de developer ses propres mod
15. SH gt ze Dee AUT tel 00768506 version my UNIVERSITE DE GRENOBLE THESE Pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L UNIVERSITE DE GRENOBLE Sp cialit G nie Civil et Sciences de I Habitat Arr t minist rial Arr t minist riel 7 Ao t 2006 Pr sent e par Clara SPITZ Th se dirig e par tienne WURTZ et codirig e par Laurent MORA pr par e au sein LOCIE UMR CNRS 5271 et de SISEO Analyse de la fiabilit des outils de simulation et des incertitudes de m trologie appliqu e l efficacit nerg tique des b timents Th se soutenue publiquement le 9 mars 2012 devant le jury compos de M Jean Jacques Roux Professeur INSA Lyon Rapporteur M Bruno PEUPORTIER Ma tre de recherche MINES ParisTech Rapporteur M Darren ROBINSON Professeur Universit de Nottingham Examinateur M Hubert DESPRETZ Ing nieur ADEME Examinateur M Etienne WURTZ Directeur de Recherche CNRS CEA INES Directeur de th se M Laurent MORA Ma tre de conf rence Universit de Bordeaux 1 Co Directeur de th se Fais de ta vie un r ve et d un r ve une r alit Antoine de Saint Exup ry dm en fel 00768506 version Remerciements Ce travail de recherche a t men au sein du laboratoire Optimisation de la Concep tion et Ing nierie de l Environnement LOCIE dirig par Lingai Luo Dong ainsi que dans le Laboratoire d Energ tique du B timent LEB au CEA INE
16. a i a a CELLIER amp 5 00N2 1 se e mmi W ii rip a D FI HAL 25 gii Fie z T 3 LIN EVIER ALIMENTE 9 EAEko A ee LAS a pi gs CUISINE DEGT i a 21502 A PL PA a al z A B c LE z 1 1 G S1 eju g ipi We 4 ja 8 NIV 000 iii E z 8 5 HSP 250CM FINI Eg qar 4st 4 d 4 Et f rs 1 l 1 x hil EPAS som SEJOUR 1 1 ea 3 1 tid 1 amp 50 360 30 360 50 amans eaa a E T 19 4 ag _ 1 ae 1 1 f L 1 7 E E Lt PRET ener ae 25 100 300 300 10025 4 p 180 230 30 230 180 t 215 Fr 25 t Figure 34 Plan du RDC de la maison I DM i Ss O E ns Lai 3 _ n RE 2E E TEC rT BAIGNOIRE RACCUMEE 3 GAINE TEH VHC MUHA EN EAD EF BH sens re 7 OOK RR RRR ROOM Rx LAON RS mas re Be i 4 m a Hi M 4 33 2 ed pi i aia CHAMIRE 1 i 5 43 0 1 a Pd r 4 i f we A Bis als ae at T lt 3 5 f si pej be pd Ko D DK KA bs FA B k FA A bd by Ks CHAMBRE 2 CHAMBRE 3 Bd A peers 15 Toe 4 le bd Wi Ky x A f EL i RA i MI x ie g bd 1g fa MEXREXEKERM KY KKK M r arana t Aone ALOR Fy 8 f aaow H i AEE ET MS m se w nb w y i His 3 Figure 35 Plan de tage de la maison I DM 151 100 215 80 105
17. chantillonnage et calculer les indices du premier ordre et total l outil Simlab 1 a t utilis en couplage avec Matlab Cinq tapes sont n cessaires pour obtenir le r sultat de l analyse de sensibilit globale La figure 4 18 pr sente le couplage et les 5 tapes n cessaires 1 Cr ation de la matrice N x p N lignes et p colonnes cette matrice est g n r e grace l outil Simlab et tient compte de la plage d incertitude de chaque param tre 2 Cr ation du fichier d entr e pour chaque ligne de la matrice N x p un fichier EnergyPlus est cr 120 Ti Dee Ne 68506 version te l 007 4 2 Cas 1 Incertitude sur les besoins en chauffage et le confort dans trois batiments Calcul des indices de sensibilit Logiciel Simlab Cr ation de la matrice N xp Cr ation du i me fichier d entr e Logiciel Matlab Simulation Copie fichier de l r sultat Logiciel EnergyPlus pour i 1 N N taille de l chantillon Figure 4 18 tape pour obtenir les r sultats de l analyse de sensibilit globale 3 Simulation EnergyPlus effectue la simulation en consid rant le fichier idf cr l tape 2 4 R cup ration des r sultats EnergyPlus cr e un fichier csv de r sultat cette tape on stocke les r sultats Ces quatre premi res tapes sont r p t es en fonction du nombre de simulation consid r dans l analyse de sensibilit globale Les simul
18. coefficient de convection int rieure vertical masse volumique poutrelle entrevous du plancher interm diare chaleur sp cifique poutrelle entrevous du plancher interm diare paisseur du polystyr ne extrud conductivit du polystyr ne extrud masse volumique de la dalle des planchers chaleur sp cifique de la dalle des planchers conductivit du carrelage debit de ventilation conductivit du cadre des fen tres H ae X F oe ee T a i conductivit de la dalle des planchers 1234567 8 910111213141516 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 conductivit poutrelle entrevous du plancher interm diare osh eei 0 6 0 4F indice de sensibilit Figure 4 8 R sultat de l analyse de sensibilit locale pour le besoin de chauffage pour la maison I DM les param tres de la structure les couleurs jaunes des fen tres les vertes des sys t mes nerg tiques le rouge les d fauts d tanch it les oranges les coefficients de convection et les grises l alb do et autres L indice de sensibilit locale renseigne sur l influence du param tre la sortie du mod le et permet de classer les param tres par ordre d influence Pour normaliser les valeurs des indices entre 1 et 1 le calcul suivant a t effectu X Ayr t 1 AXi S t CT 4 1 tude sur le besoin de chauffage Les figures 4 8 4 9 et 4 10 pr sentent les r sultats des param tres influents pour les besoins de chauffage pour le
19. de l enduit ext rieur M2 coefficient de convection int rieur plancher Js transmission du vitrage ext rieur double 1 4 d bit de ventilation HS coefficient de convection ext rieur mur vertical Hic masse volumique de la dalle du plancher 7 chaleur sp cifique de la dalle du plancher Gils albedo 9 emissivit de l enduit ext rieur 10 coefficient de convection int rieur mur vertical G11 paisseur de la dalle du plancher G12 infiltration M 13 paisseur du parpaing 14 r flection du vitrage int rieur double c t int rieur HB 15 conductivit de la laine de verre M 16 masse volumique du parpaing chaluer sp cifique du parpaing masse volumique poutrelle entrevous du plancher interm diare chaleur sp cifique poutrelle entrevous du plancher interm diare masse volumique du platre chaleur sp cifique du platre paisseur poutrelle entrevous du plancher interm diare conductivit du polystyr ne expans paisseur du polystyr ne expans masse volumique de la chape chaleur sp cifique de la chape Figure 4 13 R sultat de l analyse de sensibilit locale pour le confort d t pour le rez de chauss pour la maison RT2005 110 Ti eerie fel 00768506 version 4 2 Cas 1 Incertitude sur les besoins en chauffage et le confort dans trois b timents caract ristiques physiques de la chape caract ristiques physiques des poutrelles entrevo
20. direction du vent par rapport au nord pression atmosph rique bar rayonnement net W m rayonnement global horizontal ou rayonnement diffus horizontal W m rayonnement direct normal W m si les donn es de rayonnement solaire ne sont pas disponibles couverture nuageuse et type nombre d heure d ensoleillement hr L outil le plus connu en Europe pour g n rer des donn es m t orologiques est Me teonorm Il contient des bases de donn es de plus de 7700 stations m t o Il contient galement des algorithmes permettant de cr er partir des valeurs mesur es des fichiers m t o de n importe quel endroit sur le globe Les fichiers m t o d EnergyPlus sont au format epw C est un format propre EnergyPlus 15 En annexe G sont repr sent es les douze premi res lignes du fichier m t o d EnergyPlus pour la ville de Chamb ry Aix les Bains L annexe H r f rence les caract ristiques des 32 colonnes contenues dans le fichier m t o d EnergyPlus De nombreuses donn es sont rarement mesur es mais des valeurs par d faut sont consid r es Dans la partie 2 1 3 1 nous avons d crit l instrumentation mise en place pour me surer les conditions climatiques du site d INES La cr ation d un fichier m t o est un point cl de la comparaison entre l exp rimentation et la simulation Une atten tion particuli re a t port celui ci Un fichier m t
21. nous avons utilis la m thode FAST pr sent e en partie 1 4 1 4 Pour chaque maison 13 param tres ont t s lectionn s Par maison 6669 simulations ont t effectu es cela correspond un jeu de 513 6669 513 13 simulations par param tres T A Mara et al 2008 42 a valu les incertitudes des r sultats des analyses de sen sibilit globale en fonction du nombre de simulations Un chantillonnage de 513 param tres est un bon compromis entre r duction de l incertitude et temps de simu lation Il faudrait augmenter le nombre de simulations pour r duire l erreur sur les r sultats des indices de sensibilit globale Dans notre cas le temps de simulation est d environ 2 minutes par simulation et au total 2 jours sont n cessaires pour obtenir le r sultat des simulations et il faut 5 minutes pour le traitement et l obtention des r sultats des indices de sensibilit Comme pour l analyse d incertitude les r sultats de l analyse de sensibilit locale permettent de s lectionner les param tres les plus influents pour les sorties du mod le num rique La plage d incertitude des param tres d finie dans la partie 4 2 3 2 est utilis e 4 2 4 2 Mise en place des s ries de simulations Comme pour l analyse de sensibilit locale et l analyse d incertitude l analyse de sensibilit globale effectue les simulations gr ce au couplage entre Matlab et Ener gyPlus De plus pour g n rer les matrices d
22. so 360 430 360 Dts SA bd IX Lx KA K el Ry bY Ko 1 KA Ned W x i x KA KS Ka D i Ka bd i Ky KA SE CAP SSPE ns 4 Nee DXKXKKKRY a DOOOOOOO DOOCEOOOOOOOOF i f DOOD i BALCON i e ALLOOOVR 1 f f I 25 100 300 300 100 425 F ii st PANNEAUX SOLAIRES DEVANT BALCON 1 Figure 2 27 Positionnement des capteurs une hauteur de 1 10m dans la maison I DM 59 DEN Ne fe1 00768506 version d CHAPITRE 2 La probl matique des incertitudes en regard d une plateforme d exp rimentation Chambre 1 Chambre 2 Chambre 3 n Chambre 3 n 2 Salle de bain WC tage Palier tage Cuisine Repas S jour n 1 S jour n 2 Palier rdc Entr e Temperature C Temperature C 8 00 06 00 12 00 18 00 00 00 8 00 06 00 12 00 18 00 00 00 a RDC b Etage rayonnement direct rayonnement global temp rature ext rieure Temperature C rayonnement W m 0 00 00 06 00 12 00 18 00 00 00 c Conditions m t orologiques Figure 2 28 Temp rature d air s che dans la maison I DM pour le 12 f vrier 2011 cart de temp rature suite la coupure du chauffage figure 2 28 Le 12 f vrier les volets taient ferm s et la r sistance lectrique ne fonctionnait pas Les temp ratures mesur es par les capteurs 1 10 m tre chaque niveau sont sem blables La temp rature d air au RDC e
23. 0 2 0 500 1000 0 0 500 1000 500 1000 Nombre d chantillonages Figure 1 7 Les trois techniques d chantillonnage 1 la m thode de Monte Carlo 2 la m thode de Quasi Monte Carlo et 3 l chantillonnage Latin Hyper cube Sampling La distribution des param tres doit tre choisie en fonction du param tre Plusieurs distributions peuvent tre utilis es dans la simulation de b timent 38 et dans la suite du travail nous en utiliserons deux les plus r pandues et nous ne pr senterons pas les autres distributions possibles Les deux distributions sont 26 Th Deg rite 68506 version te l 007 1 4 Etat de l art des m thodes d analyses de sensibilit 1 La distribution uniforme 2 La distribution normale elle est la plus souvent employ e pour des mesures physiques La figure 1 8 repr sente les deux distributions utilis es N ND o N o a 125 N O1 40 Nombre d chnatillonages oa oO Nombre d chnatillonages a a o o D nN oa 0 0 25 0 5 0 75 1 0 0 25 0 5 0 75 1 Valeur du param tre Valeur du param tre a Distribution Uniforme b Distribution Normale Figure 1 8 Les deux distributions utilis es la distribution uniforme et la distri bution normale L analyse d incertitude des mod les value l incertitude induite sur la sortie du mo d le par les erreurs affectant les param tre
24. 48 49 qui signifie buil ding energy simulation test a consist 4 mettre en place une proc dure qui permet de comparer les r sultats des outils de simulation avec des cas tests en comparant diff rents modes constructifs comme les batiments a forte inertie par rapport aux batiments a faible inertie permettant de tester et de comparer entre eux les outils num riques Ces travaux ont t d velopp s dans le cadre de la t che 12 qui im pliquaient une coop ration entre les membres de l agence internationale d nergie IEA du programme chauffage et rafra chissement solaire des b timents pilot e par le NREL Malgr les diff rents projets de validation des carts importants entre les r sultats de simulations peuvent tre constat s entre les outils Une tude a t r alis e par A Brun et al 2009 9 sur la comparaison de diff rents outils de simulation PHPP Comfie Pl iade CoDyBa Trnsys EnergyPlus et SimSpark appliqu s au cas de la maison I DM situ VINES 73 Deux configurations ont t test es dans le premier cas les coefficients d changes convectifs sont constants et gaux impos s par Pl iade et dans un second temps des valeurs annuelles moyennes ont t utili s es pour les coefficients d changes convectifs dans le cas de trois outils EnergyPlus Trnsys et CoDyBa Le tableau 1 1 r capitule les coefficients consid r s pour les deux configurations La figure 1 4a montre la concord
25. C incertitude mesure incertitude simulation 1 QT 05 02 07 02 09 02 11 02 13 02 15 02 17 02 19 02 21 02 23 02 25 02 a RDC oak incertitude mesure incertitude simulation N _ Oo ES Be N RD PE D tg gg ptt 05 02 07 02 09 02 11 02 13 02 15 02 17 02 19 02 21 02 23 02 25 02 b Etage Figure 4 28 Comparaison de l analyse d incertitude pour la maison I DM pour la temp rature d air du RDC et de l tage du 5 au 24 f vrier 2011 137 DAME a 68506 version 1 te l 007 CHAPITRE 4 Simulations et tude des param tres influents des maisons INCAS r sistance lectrique 1150 W 5 cac Schangeur 000 unione 27 10 PAU conductivit laine de 0 035 W m K normale 5 gains internes RDC 180 W 10 distribution d bit d infiltration 0 115V h 10 Spaissour de Ta dalle TU em PAU 10 coefficient de convection 3 08 W m K uniforme 10 int rieure verticale Table 4 7 Tableau des param tres et plage de variation pour la maison I DM pour le sc nario r el transmission vitrage ex 0 842 normale 5 t rieur inf rieure la plage d incertitude de la mesure L analyse d incertitude a permis de d finir une plage d incertitude pour les r sultats de mod lisation de la temp rature d air du RDC et de l tage du 5 au 25 f vrier 2011 en consid rant les 10 param tres les plus influents sur cett
26. EM Salle de Bain 9h 10h 11h 12h 13h 14h 15h 16h 17h 18h 19h 20h 21h 22h 23h 24h Vendredi 9h 10h 11h 12h 13h 14h 15h 16h 17h 18h 19h 20h 21h 22h 23h 24h Samedi Nombre de personnes 9h 10h 11h 12h 13h 14h 15h 16h 17h 18h 19h 20h 21h 22h 23h 24h Dimanche h th 2h 3h 4h 5h 6h 7h 8h Qh 10h 11h 12h 13h 14h 15h 16h 17h 18h 19h 20h 21h 22h 23h 24h Figure 4 3 Sc nario d occupation de chauffage unitaire kWh m an Pour d terminer l inconfort d t on d termine deux param tres le nombre d heure o la temp rature est sup rieure 27 C les degr s heures d inconfort correspondant la somme des carts positifs de temp rature entre la temp rature d air int rieur du RDC et 27 C Les r sultats des simulations des trois maisons sont repr sent s sur la figure 4 4 sous forme de tableau et de graphique La maison I BB a un besoin de chauffage gal 11 7kWh m an inf rieur la maison I DM dont le besoin est de 17 4kWh m an Par contre le confort d t de la I BB est l g rement diminu et il y a une diff rence de 8h sur le nombre d heures d inconfort entre la I DM et la I BB La maison RT 2005 a un besoin de chauffage de 113 3 kKWh m an avec un nombre d heures d in confort presque nul gal a 8h Ces r sultats montrent que dans un batiment a faible consommation nerg tique le besoin de chauffage est diminu mais le confort thermique est d grad Dans le m
27. a t elle t suffisamment respect e par rapport aux pr visions Les mesures effec tu es sur le site sont elles fiables Voici le type de questions auxquelles on va tenter de r pondre dans ce travail De nombreuses incertitudes peuvent influencer les performances nerg tiques durant la phase de construction d un b timent Les travaux de cette th se portent en par ticulier sur l valuation et la hi rarchisation des incertitudes sur les r sultats des simulations en phase de conception Nous avons utilis la plateforme exp rimentale INCAS situ e INES au Bourget du Lac pour identifier les incertitudes de mesure mais aussi les incertitudes dont les hypoth ses de mod lisation font l objet On a 6 Ti beg rhe fel 00768506 version 1 3 La probl matique de la fiabilit des outils de simulation ensuite valu la fiabilit des codes de simulation utilis s pour la conception Enfin on propose une m thodologie pour identifier les param tres de conception les plus influents sur la performance nerg tique d un b timent et pour rendre compte des effets de l incertitude associ e ces param tres sur cette m me performance La premi re question pos e concerne la fiabilit des outils de simulation couramment utilis s 1 3 La probl matique de la fiabilit des outils de simulation 1 3 1 Identification et caract risation des sources potentielles de biais et d incertitude Au cours du processus de m
28. carts de temp rature entre le plancher et le plafond Diff rentes incertitudes ont t d crites et il est possible de d terminer une plage d incertitude par niveau Pour caract riser la temp rature d air mesur e par niveau on a consid r un capteur repr sentatif et non influenc par le rayonnement et une plage d incertitude de 1 C Pour le cas de la maison I DM pour le RDC on a consid r le capteur de temp rature d air dans le s jour et pour l tage le capteur dans la chambre 3 Pour le cas de la maison I BB pour le RDC on a consid r le capteur de temp rature d air dans le s jour et pour l tage le capteur dans la chambre 2 La figure 2 31 illustre la plage de temp rature du niveau du RDC de la maison I DM 63 NE ihe fel 00768506 version CHAPITRE 2 La probl matique des incertitudes en regard d une plateforme d exp rimentation Temp rature C 10 gt K ee i 01 02 05 02 09 02 13 02 17 02 21 02 25 02 01 03 Figure 2 31 Plage de temp rature pour le niveau du RDC de la maison I DM 2 3 Conclusion Au cours de ce chapitre on a pr sent l analyse du comportement des deux maisons INCAS Double Mur et B ton Banch Leur g om trie identique les caract ristiques de l enveloppe le tr s bon traitement des ponts thermiques et de leur tanch it ainsi que les syst mes nerg tiques ont t d crits Pour permettre le suivi de l vo lution des mais
29. cr l aide des mesures du site d INES Mal gr les incertitudes de mesure des stations m t o on observe une coh rence entre le calcul du rayonnement incident et les pyranom tres install s sur la maison I DM Les hypoth ses de mod lisation des maisons INCAS ont t pr sent es et on a vu qu elles sont sujettes de nombreuses incertitudes Une comparaison entre l exp rimentation et la pr vision des maisons I DM et I BB a t effectu e On remarque des disparit s entre les r sultats de l exp rimentation et la pr vision Dans le cas de la maison I DM on a pu remarquer que les r sultats de simulation taient inclus la plupart du temps de la plage d incertitude de la mesure 94 dm en fel 00768506 version 3 5 Conclusion Dans le cas de la maison I BB il y a plus de disparit entre les r sultats Dans le cas de la comparaison avec les maisons I DM et I BB des incertitudes de mesures ont t prises en compte mais aucune incertitude n a t consid r e dans les r sultats de si mulation De nombreuses interrogations subsistent les incertitudes de la simulation recoupent t elles les incertitudes de mesures Quels sont les parametres ayant le plus d influence sur les r sultats de simulation Quels sont les param tres ayant peu voire pas d influence sur les r sultats de simulation Comment am liorer les r sultats de la pr vision C est toutes ces questions que l on va tenter
30. e sssi dou mate da Dhs as 99 AD AD SC DATIOS s crs son oaoa o eead e rado 100 4 2 1 3 Hypoth ses de simulation 101 4 2 1 4 R sultats de simulation 101 4 2 2 Recherche des param tres influents 104 4 2 2 1 Analyse de sensibilit locale 104 4 2 2 2 Param tres tudi s 104 4 2 2 3 Mise en place des s ries de simulations 104 4 2 2 4 R sultats de l analyse de sensibilit locale 105 4 2 3 Quantification et propagation des incertitudes 112 4 2 3 1 Analyse d incertitude 2 2 4 aa aaa de 112 4 2 3 2 Param tres consid r s et leurs plages d incertitudes 113 4 2 3 3 Mise en place des s ries de simulations 117 4 2 3 4 R sultats des analyses d incertitudes 117 4 2 4 Param tres influents et plages de variation 120 4 2 4 1 Analyse de sensibilit globale 120 4 2 4 2 Mise en place des s ries de simulations 120 4 2 4 3 R sultats Lise ns tie Lande naiss 121 4 2 4 4 Analyse des r sultats 123 Boe Conclusions s e a eoni de a de a ee ee deu 125 4 3 Cas 2 Incertitudes associ es aux temp ratures d air int rieur 127 4 3 1 Analyse de sensibilit locale 127 4 3 2 Etude des corr lations 132 4 3 3 Analyse d incertitude
31. g n ralement admises pour les b timents standards du fait de la pr pond rance nouvelle de ph no m nes physiques jusqu alors n glig s ou mal pris en compte Dans le m me temps on s int resse de plus en plus a la garantie de performance qui consiste a v rifier que les performances nerg tiques r elles sont bien en ad quation avec les objectifs fix s lors de la conception or il est souvent constat des erreurs entre consommation mesur e et estim e compte tenu des incertitudes li es notamment a la mise oeuvre aux occupants et aux conditions m t orologiques L augmentation des exigences de pr cision des calculs qui en r sulte rend essentiel d appr cier les incertitudes associ es ces pr visions afin d am liorer le processus de construction et d valuation Les travaux de cette th se portent en particulier sur l valuation et la hi rarchisation des incerti tudes sur les r sultats des simulations en phase de conception Une m thodologie a t d velopp e bas e en trois temps qui permet d identifier les param tres de conception les plus influents sur la performance nerg tique d un b timent et de rendre compte des effets de l incertitude associ e ces param tres sur cette m me performance La premi re tape consiste identifier parmi l ensemble des param tres du mod le ceux qui ont une influence sur le r sultat qui nous int resse Celle ci est assur e au moyen d une analyse de sensibilit
32. narios n ont pas t modifi s transmission du vitrage ext rieur double efficacit de l changeur r flection du vitrage int rieur double c t int rieur paisseur de la laine de verre conductivit de la laine de verre gains internes RDC Albedo infiltration masse volumique de la dalle des planchers chaleur sp cifique de la dalle des planchers transmission du vitrage int rieur double conductivit du polystyr ne extrud paisseur du polystyr ne extrud paisseur de la dalle du plancher bas reflection du vitrage ext rieur double c t ext rieur chaleur sp cifique de la chape masse volumique de la chape indice de sensibilit 4 g g g g 20 03 22 03 24 03 26 03 28 03 30 03 Figure 4 25 R sultat de l analyse de sensibilit locale pour la maison I DM pour la temp rature d air du RDC du 20 au 30 mars 2011 131 dm en fe1 00768506 version CHAPITRE 4 Simulations et tude des param tres influents des maisons INCAS Au d but des journ es du 20 et 21 mars tous les indices de sensibilit sont nuls Du rant ces courtes p riodes la temp rature d air est gale la temp rature de consigne Les param tres influents sont l efficacit de l changeur l paisseur et la conducti vit de la laine de verre les gains internes du RDC les infiltrations la transmission du vitrage ext rieur double la r flexion d
33. open source r cemment Il permet la r solution de probl mes de thermique d acoustique et d clairage et a fait l objet de nombreuses validations Strachan et al 2008 59 principalement dans le cadre d annexes de l Agence Internationale de l nergie Le manque de facilit de prise en main et de base de donn es pour les mat riaux en font un outil plus adapt la recherche Il a l avantage de poss der la fonctionnalit de propager des incertitudes Macdonald 2007 37 Il permet l affichage des pr visions dans une bande d incertitude tout en consid rant les incertitudes sur les param tres d entr es comme les propri t thermo physiques des mat riaux le d bit d infiltration les sc narios d occupation et les charges internes les corr lations de convection le climat m t orologique Matlab Simulink Simulink est une interface graphique du logiciel Matlab per mettant un acc s rapide celui ci et ces nombreuses potentialit s comme le d veloppement algorithmique l analyse et la visualisation de donn es Simulink est une plate forme de simulation multi domaine et de mod lisation de syst mes dy namiques Il fournit un environnement graphique et un ensemble de biblioth ques contenant des blocs de mod lisation qui permettent le design pr cis la simulation l impl mentation et le contr le de syst mes de communication et de traitement du signal Le CSTB a d velopp des mod les relatif
34. rieur male de chauffage Figure 1 4 Besoins de chauffage puissance maximale de chauffage et temp rature d air int rieur pour trois jours en t avec six outils de simulation appliqu s au cas de la maison I DM Source A Brun et al 2009 9 pr s des professionnels de la construction Nous devons tre capable de valider ces r sultats notamment en quantifiant leurs incertitudes d o l importance de dispo ser d outils fiables au niveau des mod les et des algorithmes de r solution Bien que cette pr occupation de validit ne soit pas nouvelle elle se pose aujourd hui de fa on importante par rapport aux b timents basse voire tr s basse consommation En effet un certain nombre d hypotheses de mod lisation g n ralement admises pour des b timents standards pourraient faire d faut du fait de la pr pond rance nouvelle de ph nom nes physiques jusqu pr sent n glig s ou mal pris en compte aussi bien au niveau de l enveloppe que de l ambiance int rieure 1 3 3 Les incertitudes dans la mod lisation des b timents faible consommation nerg tique T Duforestel 2008 et al 22 dressent un large aper u des hypoth ses de mod lisation qui ne sont plus en ad quation avec l augmentation des performances des b timents On va d velopper dans cette partie les exemples suivants l utilisation du pas de temps horaire le positionnement de la station m t o la simulation de
35. t consid r s dans la suite de l tude car ces param tres sont fortement corr l s aux param tres de Vinertie du parpaing voir figure 4 26 Le fait de ne pas consid rer certains para m tres permet de r duire le nombre de param tres et aussi d viter les corr lations entre les param tres Le tableau 4 7 repr sente les valeurs des 10 param tres consid r s dans l analyse d incertitude et les plages de variation des param tres La figure 4 27 repr sente l incertitude et l chantillonnage des param tres influents pour la maison I DM La figure 4 28 repr sente le r sultat de l analyse d incertitude pour la temp rature d air du RDC et de l tage pour 2000 simulations du 5 au 24 f vrier 2011 Sur la m me figure est repr sent e la plage d incertitude de la mesure de la temp rature d air du RDC et de l tage La plage d incertitude est d finie comme En tenant compte des plages d incertitude de la mesure et de la simulation pour le cas de la temp rature d air du RDC il y a constamment recoupement entre les r sultats de mesure et de simulation Pour le cas de l tage avant le 14 f vrier il n y aucun recoupement entre la mod lisation et l exp rimentation et apr s le 14 f vrier la plage d incertitude de la simulation est en partie comprise dans la plage d incertitude de la mesure Le mod le num rique repr sente donc correctement le RDC de la maison I DM en consid rant les incertitudes m
36. tude des param tres influents des maisons INCAS les param tres relatifs au syst me nerg tique la r partition du d bit entre les zones l efficacit de l changeur les param tres relatifs l isolation du b timent l paisseur de la laine de verre la conductivit de la laine de verre les param tres relatifs l inertie du b timent caract ristiques physique de la chape paisseur des poutrelles entrevous du plancher interm diaire dalle du plancher interm diaire les param tres influents relatifs aux caract ristiques physiques des vitrages la transmission du vitrage ext rieur la r flexion du vitrage int rieur le param tre de d faut d tanch it le d bit d infiltration Maison I BB figures 4 9 Pour le besoin de chauffage de la maison I BB les familles des param tres les plus influents sont les param tres relatifs au syst me nerg tique la r partition du d bit entre les zones l efficacit de l changeur les param tres relatifs l isolation du b timent l paisseur du polystyr ne extrud la conductivit du polystyr ne extrud les param tres relatifs l inertie du b timent caract ristiques physiques de la chape paisseur des poutrelles entrevous du plancher interm diaire dalle du plancher interm diaire les param tres influents relatifs aux caract ristiques physiques des vitrages
37. 00 00 06 00 12 00 18 00 14 04 00 00 06 00 12 00 18 00 15 04 00 00 Figure 2 25 Mesure du d bit pour la maison I DM le 13 et 14 avril 57 of Der eit fel 00768506 version CHAPITRE 2 La probl matique des incertitudes en regard d une plateforme d exp rimentation balom tre 97H Chambre 1 Table 2 1 Mesure du d bit par le balom tre effectu e le 2 f vrier 140 Balom tre GE ultason 120 100 lt 80 E 3 60 EN oO N Soufflage Aspiration jSoufflage Aspiration Soufflage Aspiration Total Maison RDC I Etage Figure 2 26 Comparaison des mesures de d bit par le balom tre et le d bitm tre ultrason 58 aA Meg enie fel 00768506 version 1 2 2 La probl matique des incertitudes sur l exemple de la plateforme d exp rimentation 2 2 5 D termination d une plage d incertitude sur la mesure de la temp rature d air Cette partie concerne l tude de tous les capteurs de temp rature d air plac s dans la maison I DM et positionn s une hauteur de 1 10 m tre par rapport au sol On cherche d terminer une plage d incertitude par niveau de la temp rature d air et pour cela trois journ es ont t choisies le 12 f vrier le 15 f vrier et le 25 mars Durant ces trois jours il n y aucune intervention dans les maisons et les sc narios sont diff rents durant les trois jours le 12 f vrier c est un sc nario hors gel volets ferm
38. 1 C pour l tage entre la I DM et la I BB Au 1 f vrier la temp rature de consigne de la maison I DM tait d environ 18 C tandis que celle de la I BB de 17 C Cet cart illustre en partie l incertitude sur la temp rature de consigne En effet la consigne de chauffage est r gl e manuellement l aide d un potentiom tre dont les valeurs sont indiqu es sur un adh sif Les sondes r gulant la consigne sont plac es au m me endroit dans la zone repas sur la cloison Deux actions ont t prises pour pallier cette incertitude Dans un premier temps ajuster le potentiom tre afin d avoir les m mes temp ratures au RDC de chaque maison voir la p riode du 14 f vrier au 3 mars Dans un second temps le poten tiom tre manuel a t remplac par un thermostat num rique hors p riode d tude Apr s avoir observ les diff rents gradients de temp rature entre les maisons et entre le RDC et l tage dans les maisons on va regarder s il existe un gradient de temp rature dans une m me pi ce entre le plancher et le plafond Gradient de temp rature dans une pi ce La figure 2 17 s int resse au gradient de temp rature mesur dans la zone du s jour de la maison I DM trois niveaux diff rents et aux conditions m t orologiques correspondant aux p riodes du 11 au 21 f vrier et du 20 au 30 mars On observe qu il n y a pas de gradient thermique du 11 au 13 f vrier c est le sc nario hors gel ventilation di
39. 13 4 14 4 15 4 16 4 17 4 18 4 19 4 20 4 21 4 22 4 23 4 24 4 25 4 26 4 27 4 28 4 29 4 30 4 31 32 33 34 35 36 37 R sultat de l analyse de sensibilit locale pour le confort d t pour le rez de chauss pour la maison I BB R sultat de l analyse de sensibilit locale pour le confort d t pour le rez de chauss pour la maison RT2005 Incertitude et chantillonnage des param tres influents pour la maison HDM NS SA ra ras Starr oo ow ARR EO GEE OEE EEE tape pour obtenir les r sultats de l analyse d incertitude R sultats des moyennes du besoin de chauffage et des incertitudes pour 2000 simulations pour les 3 maisons tudi es Histogramme des besoins de chauffage pour les trois maisons pour 2000 simulations 2 4 44 dus 4a 2 a 5 eee sie df eS eS Etape pour obtenir les r sultats de l analyse de sensibilit globale R sultat de l analyse de sensibilit globale pour le besoin de chauffage pour la maison I DM 3 5 4 4834 Las sx ds di hae ER ma R sultat de l analyse de sensibilit globale pour le besoin de chauffage pour la maison LBB se soes ereden i oe eRe dS Rew eS R sultat de l analyse de sensibilit globale pour le besoin de chauffage pour la maison RT 2005 aoaaa aaa ets eee oe Se R sultat de l analyse de sensibilit globale pour le besoin de chauffage pour la maison I BB en consid rant neuf param
40. 18 00 18 02 06 00 12 00 18 00 19 02 a Rayonnement incident Est b Rayonnement incident Ouest Figure 3 9 Comparaison mesure simulation pour le rayonnement incident Est et Ouest pour le 17 et 18 f vrier 2011 comparaison permet de tester le fichier m t o et ainsi de quantifier les incertitudes sur les valeurs de rayonnement Pour effectuer la comparaison on consid rera les fa ades Est et Ouest La figure 3 9 repr sente la comparaison entre la mesure et la simulation pour une journ e avec du rayonnement direct et une sans les 17 et 18 f vrier 2011 pour les orientations Est et Ouest Le 17 f vrier on observe des disparit s entre les r sultats alors que le 18 f vrier les r sultats ont les m mes tendances car c est une journ e a faible ensoleillement Ces r sultats permettent de conclure que le fichier m t o cr pour EnergyPlus avec le rayonnement mesur par la station m t o du site INES est coh rent et correct avec une plage d incertitude qui nous parait faible 3 4 4 Validation des zones non chauff es L instrumentation permet de mesurer les conditions aux limites du b timent L ob jectif de ce paragraphe est d effectuer la comparaison entre la mesure et la simulation des zones non chauff es pour le cas de la maison I DM Ces zones thermiques ont t consid r es comme non chauff es dans la simulation Des carts jusqu 0 5 C ont t observ s entre le cas o le vide sanitaire et les combl
41. 45 0 55 0 03 0 035 0 039 efficacit R patition Conductivit W m K paisseur laine de verre paisseur de la chappe paisseur poutrelle 8 600 Cc D ae ee D 0 i 8 ol Le a 0 16 0 2 0 24 0 07 0 08 0 09 0 14 0 16 0 18 paisseur m paisseur m paisseur m transmission vitrage ext Cp de la chape d bit d infiltration 8 600 i 600 z 400 10 3 300 soo e 200 ro OL 0 0 0 8 0 9 800 1000 0 09 0 11 0 13 0 15 Transmission Chaleur sp cifique J kg K d bit V h conductivit de lachape paisseur de la dalle R fl xion vitrage int 8 600 z z 600 3 300 O uc 0 0 0 2 6 2 8 3 0 039 0 04 0 041 0 3 0 32 0 34 Conductivit W m K paisseur m R flexion D bit de ventilation Q 400 10 3 200 D LL 0 80 100 120 140 160 D bit m h Figure 4 14 Incertitude et chantillonnage des param tres influents pour la mai son I DM 114 DAME a 68406 version te l 007 4 2 Cas 1 Incertitude sur les besoins en chauffage et le confort dans trois b timents distribution efficacit changen FT 10 2 r partition du d bit de 0 45 uniforme 20 ventilation paisseur de la chape 10 paisseur poutrelle entre 0 16 m normale 10 vous du plancher inter m diaire 5 transmission vitrage ex 0 842 normale 5 Feral a Maa conductivit polystyr ne 0 03 W m K normale 5 Em a 7 paisseur polystyr ne ex 0 2 m normale
42. 8 la masse volumique du parpaing 9 la chaleur sp cifique du parpaing Ces param tres jouent un r le sur l inertie Lors de la p riode hors gel leurs valeurs d indices de sensibilit sont positives et le fait d augmenter ces param tres impacte la sortie du mod le de fa on positive La quantit d nergie emmagasin e dans ces mat riaux sera plus importante et la temp rature d air diminuera moins Lors de la remise en route du chauffage leurs indices de sensibilit diminuent jusqu a devenir n gatifs La masse thermique des murs doit tre chauff e ce qui emp che une re mont e rapide de la temp rature d air L augmentation des valeurs des param tres relatifs l inertie du b timent dans une p riode de remont e en temp rature fait donc obstacle la remont e de la temp rature d air de la zone Le dernier param tre influent s lectionn ayant une valeur de distance sup rieure a 0 5 est le coefficient de convection int rieure vertical dont l incertitude est lev e L augmentation de ce param tre a un effet de diminution de la temp rature d air P riode 2 Evolution libre des temp ratures La figure 4 25 repr sente les indices de sensibilit pour la temp rature d air pour le RDC de la maison I DM du 20 au 30 mars 2011 Les r sultats pour l tage n ont pas t repr sent s car la figure 4 24 a montr qu ils taient semblables entre les deux niveaux Durant cette p riode les sc
43. A 3 3 3 400 2 a 1 a Sh 3h 6h 9h 12h 15h 18h 21h h 3h 6h Qh 12h 15h 18h 21h Dimanche 1600 gt 1200 jou Cuisine g 800 H Salle de Bain 2 400 Chambres a Sh 3h 6h Qh 12h 15h 18h 21h Figure 4 2 Sc nario de d gagement des charges internes dues l lectrom nager Activit m tabolique Puissance W personne neo ee ner eg p Activit l g re debout salle de bain Table 4 2 Tableau des charges internes dues aux occupants 4 2 1 3 Hypoth ses de simulation Pour les maisons I DM et I BB les hypoth ses de simulation d crites dans la partie 3 3 ont t consid r es Pour la maison RT 2005 les m mes hypoth ses d crites dans la partie 3 3 ont t consid r es sauf pour le syst me nerg tique Pour la gestion des volets ils sont ferm s lorsque le rayonnement solaire horizontal tait sup rieur 300W m Pour s affranchir des probl mes dus l initialisation pour la maison I DM et I BB la simulation commence le 1 mai et pour la maison RT 2005 le 1 juin et elles finissent respectivement le 30 avril et le 31 mai 4 2 1 4 R sultats de simulation Pour chaque maison le besoin de chauffage et le confort d t ont t d termin s Nous avons consid r les dimensions int rieures de 97 5m pour d terminer le besoin 101 Th Dee enie 68506 version te l 007 CHAPITRE 4 Simulations et tude des param tres influents des maisons INCAS Lundi a Jeudi
44. E O O F 20 F 20 19 LE SR RE PSE ENREEEER ETES E RESTES EEE EEE 18 M Z wi M 18 Z a M K 23 02 24 02 25 02 26 02 27 02 28 02 23 02 24 02 25 02 26 02 27 02 28 02 a Temp rature d air RDC b Temp rature d air tage RDC 4 Etage 8S5P tr incertitude r sidue rayonnement direct al TT TETE Srayonnement giobal 5 2 5F p 3 1 5F g z oD 1 8 Q 2 o E 0 5 E g S OF 0 5 10 1 15 1 5 i ae 23 02 24 02 25 02 26 02 27 02 28 02 B02 24 02 25 02 26 02 27 02 2882 c R sidu d M t o Figure 3 15 Comparaison entre la simulation et une plage d incertitude de la mesure de la temp rature d air du RDC et de l tage r sidu du RDC et de l tage et conditions m t orologiques pour la maison I DM du 23 au 28 f vrier 2011 90 ARR enie fel 00768506 version 3 4 Confrontation entre mod le et exp rimentation 26 r Incertitude mesure Simulation 21F Temp rature C N N Temp rature C N N 20 20k 19 19 18 4 2 18 2 2 y 4 23 03 24 03 25 03 26 03 27 03 28 03 23 03 24 03 25 03 26 03 27 03 28 03 a Temp rature d air RDC b Temp rature d air tage 2 RDC Etage PSE PU ET odo incertitude r sidue Temp rature C Temperature C rayonnement W m2 _2 M M 23 03 24 03 25 03 26 03 27 03 28 03 3803 24103 25 03 26 03 27 03 28 83 c R sidu d M t o Figu
45. I DM ce param tre est un des plus influents mais il n avait pas t r v l influent par l analyse de sen 124 Ti eerie fel 00768506 version 4 2 Cas 1 Incertitude sur les besoins en chauffage et le confort dans trois b timents sibilit locale pour le cas de la maison I BB Cette tude va permettre d tudier l influence d un param tre dans sa plage de variation alors que dans le cas d une faible perturbation son influence tait faible Les param tres dont la valeur d indice de sensibilit du premier ordre taient faibles lors de la premi re tude n ont pas t pris en compte Neuf param tres ont t pris en compte pour cette seconde tude 1 efficacit de l changeur r partition du d bit de ventilation paisseur de la chape paisseur poutrelle entrevous du plancher interm diaire paisseur du polystyr ne extrud mur ext rieur conductivit du polystyr ne extrud mur ext rieur conductivit de la chape 2 EN oO AE E D d bit de ventilation 9 d bit d infiltration La figure 4 22 repr sente les indices de sensibilit globale pour le besoin de chauffage pour la maison I BB en consid rant 9 param tres influents sur 6633 simulations Le param tre le plus influent reste l efficacit de l changeur avec un indice de sensibilit total gal 0 45 Le d bit d infiltration est en 7 position son indice de sensibilit total est de l ordre de 0 1 Le d
46. I DM et I BB et m t o du 14 f vrier au 3 mars 48 dm en fel 00768506 version 2 2 La probl matique des incertitudes sur l exemple de la plateforme d exp rimentation quantification du transfert d air entre zones la tache 12 de IEA 10 s est int ress e au transfert d air dans un atrium et Peppes A A et al 2002 52 se sont int ress s au transfert d air dans les cages d escalier Ces travaux montrent la difficult de la quantification du d bit d air circulant entre deux niveaux L cart de temp rature entre les niveaux peut tre d au syst me de ventilation cause d une r partition non homog ne du d bit de ventilation entre le RDC et l tage Pour mesurer le d bit souffl et aspir dans la maison deux bouches d aspiration ont d tre condamn es voir 2 2 4 De plus apr s installation des d bitm tres les fuites dans le r seau de ventilation taient cons quentes Les gaines de ventilation sont des conduites rigides rectangulaires avec des raccords peu tanches Pour am liorer l tanch it du syst me chaque raccord de gaine de ventilation a t tanch ifi Ces modifications et am liorations effectu es apr s installation ont pu modifier l quilibrage du syst me cr ant des r partitions de d bits diff rentes entre les niveaux dans les maisons Gradient de temp rature entre maisons On constate un cart de temp rature entre les maisons 2 C pour le RDC et
47. Kel Lli Sa RY e Sa KA iji re KA x 11 762 44 76M2 Ka RY Repas 1 1 seen S jOUr RY By a RY Ke KA D KS Sa ill bX RS Pd Ka i ng RY Ri RS bii KA be es bX 50 360 430 360 D Ko bd KS i KA bd Ka X P RY iI RS Ko bX RS Bi s fs X bd jl sen bY es eee nn i RS XK KKK wn DOOOOOOOK POOCER OOOO OOOOF ji LOTS i BALCON amp ALLOOOVR 1 i i 25 100 300 300 100 25 t t of f PANNEAUX SOLAIRES DEVANT BALCON d i Figure 2 3 Plan du RDC et de l tage de la maison exp rimentale I DM maisons Il y a une volont de compromis et de coh rence dans la conception des maisons La maison Double Mur La premi re maison de la plate forme est construite se lon un mode constructif double mur La figure 2 4 repr sente le sch ma de principe de la maison Le mur ext rieur est constitu de deux murs en agglom r de b ton de 15cm d paisseur prenant en sandwich une isolation en panneaux semi rigide de laine de verre haute densit d paisseur 20cm et de conductivit 0 035W m K Le vide sanitaire est isol avec du polystyr ne extrud insensible l eau car il est pos sible que le vide sanitaire soit innond Les parois horizontales du vide sanitaire sont isol es par 20cm de polystyr ne extrud de conductivit 0 029W m K Le plancher interm diaire est r alis en poutrelle hourdis b ton non isol les combles sont isol s par 40 cm de laine de verre et les murs pignons sont
48. X 3 XK t AN AX 1 5 O X repr sente la valeur nominale du param tre 7 et AX repr sente la valeur de la perturbation de ce parametre L indice de sensibilit r duit permet d obtenir un indice homog ne la sortie d o le facteur X Cette m thode est simple mettre en place car elle ne demande pas de proc dure math matique complexe par contre elle ne tient pas compte des effets dus aux in teractions entre les param tres et peut demander un temps de simulation lev si le nombre de param tre est grand et le temps de simulation long R cemment Mejri O 2011 44 a utilis cette m thode dans sa th se dans le cas de simulation thermique d un b timent 1 4 1 3 Plans d exp rience Les plans d exp riences sont des m thodes qui permettent avec un faible nombre d exp rience de conna tre l influence de diff rents param tres sur une ou plusieurs r ponses avec une grande pr cision Ce sont des m thodes math matiques et sta tistiques d velopp es au d but du XX si cle par M Fisher mais c est seulement dans les ann es 70 qu on commence les utiliser dans l industrie Les plans d ex p rience permettent d organiser les essais et de les minimiser Ils reposent sur des 18 dm en fel 00768506 version 1 4 Etat de l art des m thodes d analyses de sensibilit exp rimentations multi facteurs l aide de r gressions multiples et d analyse de la variance les r su
49. compos d un changeur d une r sistance lec trique de 1150W et de 2 ventilateurs l un pour l extraction et l autre pour l insuffla tion La r partition des d bits inject s entre le RDC et l tage peut tre modul e et 75 Ti Deter we fel 00768506 version CHAPITRE 3 La validation des mod les num riques des maisons INCAS By Pass changeur 4 efficacit 0 9 Mtotal R sistance l ctrique y et UV Ventilateur Ventilateur aspiration soufflage RDC m RDC Fixe la temp rature de consigne Pa transfert Etage Le ler Figure 3 4 Le syst me nerg tique mod lis nous avons forc un transfert d air entre le RDC et l tage La figure 3 4 repr sente le syst me mod lis Les d bits dans la maison doivent tre quilibr s c est dire conservation des d bits massiques en entr e et en sortie I n y a pas de syst me de refroidissement En annexe I la description du mod le est faite avec la description des noeuds et des syst mes utilis s pour la mod lisation La consigne de chauffage est r gul e par la zone du RDC Efficacit de la ventilation double flux Le rendement de la ventilation double flux est indiqu par le constructeur gal 0 92 Cette valeur consid re un rendement maximum pour des conditions particuli res Dans la mod lisation nous n avons pas consid r le rendement mais une efficacit de 0 9 comme d f
50. d influence sur la sortie La figure 1 6 repr sente l volution du besoin de chauffage en fonction de la valeur de l efficacit de l changeur pour la maison I DM avec 100 simulations effectu es On observe une courbe lin aire et plus l efficacit est lev e plus le besoin de chauffage est faible Burhenne S et al 2010 11 utilisent cette m thode dans le cas de la simulation thermique d un b timent allemand et apr s avoir effectu une analyse d incertitude avec la m thode de Monte Carlo ils observent les relations entr e sortie en tragant les graphiques L inconv nient de ce traitement est d obtenir une courbe par para m tre Si le nombre de param tre est trop important l analyse est trop fastidieuse en temps de traitement 23 Ti eerie 68506 version te l 007 CHAPITRE 1 Le monde incertain de la simulation du b timent D N N N N ND N WO Ff Oo O Besoin de chauffage KWh m2 an N 1 z x 67 o7 08 08 09 0 1 Efficacit de l changeur Figure 1 6 Variation du besoin de chauffage en fonction de la valeur de l efficacit de l changeur pour la maison I DM Il est alors possible d approximer le mod le par un polyn me k i 1 ou repr sente l estimation de la sortie de y x repr sente le param tre d entr e k repr sente le nombre de param tre d entr e iest le num ro de l chantillonnage b sont les coefficients de r
51. dalle M paisseur du parpaing IN coefficient de convection int rieur indice de sensibilit total 0 05 02 08 02 11 02 14 02 17 02 20 02 23 02 b Indice total Figure 4 29 Indices de sensibilit globale du premier ordre et total pour la temp rature d air du RDC de la maison I DM du 5 au 25 f vrier 2011 140 of Der eit 100 felO0768506 ve 4 3 Cas 2 Incertitudes associ es aux temp ratures d air int rieur indice du premier ordre indice total R sistance lectrique efficacit de l changeur es 0 oO O TD TD z 5 S 05 02 09 02 13 02 17 02 21 02 25 02 05 02 09 02 13 02 17 02 21 02 25 02 paisseur laine de verre conductivit laine de verre o 0 4f 2 2 o TD DT O2F 05 02 09 02 13 02 17 02 21 02 25 02 Transmission vitrage ext rieur 0 4 o 2 en 2 eve BAR ee 0 oM 05 02 09 02 13 02 17 02 21 02 25 02 05 02 09 02 13 02 17 02 21 02 25 02 d bit d infiltration paisseur de la dalle oO 0 2 2 gei T S 05 02 09 02 13 02 17 02 21 02 25 02 paisseur du parpaing coefficient de convection int rieur oO 2 T T 0 a i z i 0 a A A a 05 02 09 02 13 02 17 02 21 02 25 02 05 02 09 02 13 02 17 02 21 02 25 02 Figure 4 30 Indices de sensibilit globale du premier ordre et total par param tre pour la temp rature d air du RDC de la maison I DM du 5 au 25 f vrier 2011 141 of Der
52. de 5 Pour l alb do une incertitude de 10 a t consid r e due l incertitude de sa mesure Pour le coefficient de convection une incertitude de 10 1 CSTB Centre Scientifique et Technique du B timent 112 DAME Ne 68406 version te l 007 4 2 Cas 1 Incertitude sur les besoins en chauffage et le confort dans trois b timents Distribution Incertitude 1 r partition du d bit de 0 45 uniforme 20 ventilation efficacit changeur FN conductivit laine de 0 035 W m K 5 verre FOA paisseur de la chape FI 10 paisseur poutrelle entre 0 16 m normale 10 vous du plancher inter m diaire 7 transmission vitrage ex 0 842 normale 5 RS e chaleur sp cifique de la 880 J kg K normale 10 Fo a AU TR 1 paisour de le dalle Om normale 10 2 r flexion vitrage int rieur 5 F0 Table 4 3 Tableau des param tres et plage de variation pour la maison I DM 5 K 9 11 1 1 a t consid r e due la m connaissance de sa valeur exacte Pour l efficacit de V changeur une plage d incertitude s tendant entre 0 81 et 0 95 a t consid r e cela repr sente une plage d incertitude de 10 et de 5 On a estim qu une va leur d efficacit sup rieure 0 95 n tait pas possible La borne inf rieure de 0 81 a t choisie pour prendre en compte les incertitudes sur la mesure de ce parametre Pour c
53. de chaleur est plaques air air Ce dernier permet une r cup ration de chaleur jusqu 92 donn e constructeur L incertitude de ce param tre sera tudi e par la suite Un by pass permet le rafra chissement par ventilation directe Il fonctionne en pilotage automatique avec des sondes sur l air neuf et l air extrait La r sistance lectrique pour la batterie de chauffage est de 1 2kW Au niveau du r seau a raulique les conduits sont en PVC souple en double peau isol s pour la prise d air et l extraction Pour la distribution et la reprise d air int rieur il y a des conduits cylindriques acier diam tres 80 et 125 mm et des conduits rigides plats PVC paisseur 55 mm Chauffage Les besoins en chauffage sont couverts par la ventilation m canique Cependant d autres syst mes peuvent tre implant s dans les maisons Comme par exemple dans la maison I DM un plancher chauffant rafraichissant hydraulique noy dans la dalle peut tre coupl au chauffe eau solaire Panneaux photovolta ques Les toitures sont couvertes d une surface d environ 40m de panneaux photovolta ques Pour la maison I DM le mat riau est du silicium poly cristallin et pour la maison I BB les panneaux sont en Cuivre Indium S l nium Ces installations devraient produire environ 5400 kWh an Les valeurs de la produc tion d nergie par les panneaux photovolta ques sont fiables voir m me pessimistes En effet les constructeurs de pa
54. de l outil num rique EnergyPlus Comparaison mesure mod le Fin Erreur de Fin le mod le ne mesure peut tre valid Hypoth se de F A a slisati M connaissance de la mod lisation valeur des param tres Mod lisation du Analyse de sensibilit mod le param trique 3 D termination de la valeur du ou des param tres 4 Figure 3 1 M thodologie de la validation exp rimentale extrait de Mara 2000 39 permet d expliquer les carts observ s entre la simulation et la mesure Dans la suite l outil de simulation EnergyPlus a t choisi et des variables ont t d finies pour effectuer la validation exp rimentale des modeles thermiques des maisons I DM et I BB 3 2 Description de l outil num rique EnergyPlus 3 2 1 Description d EnergyPlus L outil de simulation choisi pour l tude de fiabilit est EnergyPlus version 6 Craw ley et al 2001 16 Il s agit d un outil de simulation dynamique permettant de pr voir le comportement nerg tique de b timents EnergyPlus se base sur les outils BLAST et DOE 2 qui ont t d velopp s dans les ann es 80 et reste en d veloppe 1 BLAST Building Loads Analyse and System Thermodynamics 69 of Wag Rite fel 00768506 version CHAPITRE 3 La validation des mod les num riques des maisons INCAS Building Description Mass Building Balance Systems Pollution Models Simulati
55. de son activit tat de repos sport travail Il d pend de param tres comme la temp rature d air et des surfaces environnantes de la vitesse d air de humidit Cette notion tant propre chaque individu et fonction de sa sensibilit son niveau d habillement son taux d activit et fait l objet de nombreux projets de recherche portant sur le confort de l occupant 43 47 Des tudes plus r centes ont port sur l approche adaptative du confort consistant prendre en compte les interactions entre l occupant et son environnement et Brager et al 1998 6 et Haldi et al 2008 26 nous proposent un tat des lieux sur l adaptation du confort thermique dans les b timents Malgr un nombre cons quent de projets de recherche s int ressant au confort thermique de l occupant la mod lisation de celui ci reste complexe et source d incertitude et 4 rapport du cabinet Enerthec Evaluation par mesure des performances nerg tiques des 8 b timents de la Zac de Bonne Grenoble SYNTHESE 10 dm en fel 00768506 version 1 3 La probl matique de la fiabilit des outils de simulation constitue un verrou primordial dans la conception optimale d un batiment Les principales caract ristiques architecturales d un b timent sont d finies tr s t t dans le projet comme par exemple la superficie des ouvrants et les outils de simula tion permettent de mod liser les apports passifs dus en grande par
56. des occupants dans les batiments Le traitement des occupants est un sujet part enti re et dans cette partie nous avons pr f r nous int resser l valua tion de la performance des mat riaux de construction et des syst mes nerg tiques 4 2 1 Description des b timents consid r s 4 2 1 1 Enveloppes Maison I DM et maison I BB La description de l enveloppe des maisons I DM et I BB est pr sent e dans la partie 2 1 2 2 pages 35 et 36 Maison RT 2005 La maison est construite en parpaing et isol e par 8cm de laine de verre par l int rieur La structure porteuse du plafond de l tage est en bois Les combles sont isol s par 12cm de laine de verre et le plancher est isol par 10cm de polystyr ne expans Les menuiseries sont identiques aux maisons I DM et I BB avec des doubles vitrages 4 16 4 faible missivit avec remplissage en argon sur toutes les faces Le d bit d infiltration est gale 0 22vol h qui correspond un d bit de fuite gal I4 0 8 m h m 4 Pa Le renouvellement d air est assur 99 DEN Ne 68506 version te l 007 CHAPITRE 4 Simulations et tude des param tres influents des maisons INCAS Plancher Haut Laine de verre 12 cm OSB 1 cm Structure porteuse 15 cm Platre 1 3 cm Plancher Interm diaire Revetement 0 4 cm Dalle 4 cm Poutre 15 cm Platre 1 3 cm Mur ext rieur Enduit ext rieur 1cm Parpaing 20 cm Laine de verre 8 c
57. du 1 f vrier au 30 mars On remarque que l amplitude de temp rature journali re est semblable entre les deux maisons Si le rayonnement direct journalier est sup rieur 150W m l amplitude est sup rieure 3 C dans le cas o les volets sont ouverts la journ e et de l ordre de 1 C lorsque les volets sont ferm s 2 2 4 Incertitudes concernant la distribution a raulique Efficacit de la ventilation double flux On s est int ress au bon fonction nement de la ventilation et plus particuli rement de l changeur de la ventilation 51 DEN Ne 68506 version te l 007 CHAPITRE 2 La probl matique des incertitudes en regard d une plateforme d exp rimentation t DM e BB Rayonnement direct rayonnement W m delta T C 0 01 02 04 02 07 02 10 02 13 02 16 02 19 02 22 02 25 02 28 02 03 03 06 03 09 03 12 03 15 03 18 03 21 03 24 03 27 03 30 03 Figure 2 18 Diff rence de temp rature journali re des maisons I DM et I BB pour le RDC et rayonnement direct journalier du 1 f vrier au 30 mars double flux La figure 2 19 repr sente le positionnement du r seau de ventilation et des bouches d insufflation et d extraction Les bouches d insufflation sont dans les pi ces repas s jour chambre 1 2 et 3 les bouches d extraction sont dans la cuisine le cellier les toilettes au RDC et l tage et la salle de bain Les bouches du cellier et des toilettes au RDC ont t c
58. ee fel 00768506 version d 1 2 La probl matique de la garantie de performance Besoin kWh m an 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 Ref a Besoins de chauffage DJU DJU Rayonnement Direct Moyen W m 2 000 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 Ref b Degr s jours unifi s et rayonnement direct moyen annuel Figure 1 3 Besoins de chauffage degr s jours unifi s et rayonnement direct moyen annuel pour les ann es de 1990 1999 et pour la r f rence de la maison I DM du climat de Gen ve et les DJU correspond la somme des DJUjournalier Tmi IB DJU ournalier 18 1 1 La figure 1 3 repr sente les r sultats de la mod lisation de la maison I DM pour les besoins de chauffage de diff rentes ann es de 1990 1999 ainsi que le cas de r f rence du climat de Gen ve ainsi que les DJU et le rayonnement direct moyen annuel En fonction du fichier m t o utilis les r sultats des besoins de chauffage sont compris entre 12 et 20 kWh m an et on observe jusqu 30 d cart entre l ann e 1994 et le cas de r f rence On constate des carts similaires en ce qui concerne les DJU et la moyenne du rayonnement direct La pr vision nerg tique d un b timent demande l utilisation d un fichier m t o mais ces donn es sont sources d incertitudes La m t o voluant quotidiennement le r sultat pr dit lors de la simulation sera diff rent en fonct
59. est l extension de la technique RBD originale Le d savantage de cette m thode est qu elle requiert un nombre de simulations croissant avec le nombre de facteurs T A Mara 2009 40 a propos une am lioration de cette technique qui permet de diminuer le nombre de simulations et de calculer l effet total L analyse de Monte Carlo a l avantage de r aliser avec la m me m thode l ana lyse d incertitude et l analyse de sensibilit Il s agit de g n rer un chantillonnage pour les param tres dans leur plage de variation La technique d chantillonnages Latin Hypercube Sampling LHS est souvent utilis e cette m thode permet d avoir une meilleure exploration de l espace des param tres Le nombre de simulations n cessaire aux estimations des indices de sensibilit est propre chaque mod le et la pr cision d sir e Mais plus le mod le sera complexe nombre de param tre d en tr e plus le nombre devra tre important Pour chaque combinaison il s agit de calculer la sortie du mod le L analyse des r sultats de simulation permet de calcu ler les grandeurs statistiques moyenne variance Un premier r sultat peut tre obtenu en analysant les courbes repr sentant l volution des sorties en fonction des valeurs des param tres d entr es Avec ces courbes il est possible d observer la li n arit entre sortie et entr e ou des valeurs seuils ou encore la valeur du param tre ayant plus
60. et ne concerne que la r alisation de maison passives Il n y a pas de simulations dynamiques r alis es et les r sultats sont issus de donn es statistiques sur des b timents de m me type EnergyPlus 30 est un outil disponible librement bas sur deux outils de simu lation BLAST et DOE 2 c est le d partement de l nergie des Etats Unis DOE qui finance cet outil et le LBNL coordonne le d veloppement Il permet la simula tion de syst mes nerg tiques complexes la biblioth que de mod les est importante mais plut t adapt e la simulation des syst mes existant aux tats Unis Il inclut la r solution avec un pas de temps inf rieur l heure et pour pouvoir mod liser le b timent en 3D facilement un plugin a t d velopp dans Google Sketchup pour la saisie g om trique du b timent Son interface n est pas conviviale mais l outil Design Builder int gre une interface conviviale tout en utilisant la robustesse des algorithmes d velopp s par EnergyPlus ce qui le rend pertinent et efficace pour l op timisation nerg tique de b timents sans pour autant garantir un excellent niveau de pr cision de la temp rature dans les b timent dans le cas d volution libre Trnsys Transient System Simulation Tool est d velopp par l universit de Wis consin et une entreprise priv e TESS le groupe TransSolar en Allemagne et le CSTB en France interviennent sur la diffusion du logiciel et l interface pour les utilis
61. f vrier 2011 p riode 2 du 20 au 29 mars 2011 La figure 4 23 repr sente le r sultat de simulation de la temp rature d air du RDC la temp rature ext rieure et le rayonnement direct pour les deux p riodes tudi es Les sc narios ont t pr sent s la figure 2 13 page 45 dans le chapitre 2 Lors de la premi re p riode en f vrier on observe une baisse de la temp rature d air puis une augmentation due la consigne de chauffage qui a t modifi e pendant plusieurs jours alors que pendant la deuxi me p riode en mars la temp rature d air est en volution libre sup rieure la temp rature de consigne On s int ressera l influence des param tres en fonction de la p riode tudi e 4 3 1 Analyse de sensibilit locale Dans le cas du sc nario r el nous avons tenu compte des charges internes et les figures 4 24 et 4 25 repr sentent les r sultats des indices de sensibilit pour les temp ratures d air lors de deux p riodes La temp rature d air varie dans le temps et nous avons tudi les indices de sensibilit chaque heure de la journ e en calculant l indice de sensibilit r duit de chaque param tre S t Pour classer les r sultats des sorties variant dans le temps par ordre d importance la moyenne Sim l cart type Si sta et la distance S 4 ont t calcul s sur la p riode tudi e La distance est d finie 127 21 Der 2012 fel 00768506 version d CHAPITRE 4 S
62. isol s par une paisseur de 10cm l int rieur en plus des 20cm du double mur Les principaux mat riaux et leurs paisseurs utilis es pour la construction de la maison I DM sont repr sent s sur la figure 2 5 Les propri t s physiques des parois sont en annexe D La maison B ton Banch La deuxi me maison de la plate forme est construite selon un mode constructif isolation par l ext rieur La figure 2 6 repr sente le sch ma de principe de la maison I BB Le mur ext rieur est constitu de 15cm de b ton banch et de 20cm de polystyr ne extrud constitu de deux couches crois es de 10cm Les autres principes constructifs sont identiques la maison I DM Les principaux mat riaux et leurs paisseurs utilis s pour la construction de la maison I DM sont repr sent s sur la figure 2 7 Les propri t s physiques des parois sont en annexe D 34 Nae aii a tel 00768506 version 1 2 1 Cadre d tude les maisons INCAS EXTERIEUR RDC PARPAING PARPAING VIDE SANITAIRE Figure 2 4 Liaison plancher bas mur ext rieur de la maison I DM Plancher Interm diaire Plancher Haut Carrelage 1 cm Laine de verre 40 cm Chape 8cm Pl tre 1 cm Dalle 4 cm Poutrelle entrev 16 cm Combles outrelle entrevous 16 c Mur ext rieur A Enduit ext rieur 1 cm Parpaing 15 cm Laine de verre 20 cm Parpaing 15 cm Pl tre 1 cm Double vitrage Sauf au Nord tri
63. la tache solaire la simulation de la ventilation naturelle l estimation du confort thermique dans un b timent naturellement ventil l estimation des charges internes et le comportement des occupants la dur e de vie des mat riaux dm en fel 00768506 version CHAPITRE 1 Le monde incertain de la simulation du batiment Le choix du pas de temps de simulation qui est horaire en g n ral est important Dans les b timents basse consommation les grandes ouvertures sur l ext rieur et l nergie solaire contribuent la modification du comportement thermique des b ti ments Les donn es horaires pour le rayonnement ne permettent pas de repr senter correctement le lever et le coucher du soleil et lissent les perturbations en cours de journ e induisant des biais dans les r sultats de simulation dans le cas de batiments a faible consommation d nergie La localisation de la station m t o est galement importante et elle doit tre suffi samment proche du b timent simul pour ne pas engendrer d incertitude Kriigera et al 2008 34 montrent dans une tude l influence des r sultats de simulation avec des donn es m t o du site voisin Une tude effectu e par le bureau d tude Enertech montre l valuation par la mesure des performances nerg tiques des b timents construits dans le projet de la ZAC de Bonne a Grenoble Les pr visions des consommations ont t faites avec des donn es m t o iss
64. le 14 f vrier les indices du premier ordre des param tres du d bit d infiltration de l paisseur de la laine de verre des gains internes du RDC et de la conductivit de la laine de verre diminuent et seuls les param tres de la r sistance lectrique et de l efficacit de l changeur ont leur indice du premier ordre qui augmente apr s le 14 f vrier Sur la figure 4 23a du 14 au 21 f vrier les journ es dont le rayonnement direct a atteint des valeurs sup rieures 600W m sont les 14 17 et 19 f vrier Durant ces journ es on observe des amplitudes de temp rature d environ 2 C entre le jour et 139 of Der eit 100 felO0768506 ve CHAPITRE 4 Simulations et tude des param tres influents des maisons INCAS 1 4 N D R sistance lectrique E efficacit de l changeur II paisseur laine de verre HEE conductivit laine de verre M gain interne du RDC Eu Transmission vitrage ext rieur HEE d bit d infiltration IBM paisseur de la dalle IBM paisseur du parpaing E coefficient de convection int rieur indice de sensibilit du premier ordre o o gt D o D 0 05 02 08 02 11 02 14 02 17 02 20 02 23 02 25 02 a Indice du 1 ordre E R sistance lectrique En efficacit de l changeur I paisseur laine de verre HEE conductivit laine de verre HE gain interne du RDC Transmission vitrage ext rieur HEE d bit d infiltration IS paisseur de la
65. les r sultats pour la deuxi me configuration correspondant une volution libre Les r sultats entre la 1 et de la 2 ann e sont gaux au bout de 25 jours et il y a 2 C au 1 janvier Dans ce cas le premier jour de simulation le 1 janvier est r p t 81 fois figure 3 6b Ces deux simulations nous montrent qu il ne faut pas n gliger la phase d initiali sation Dans le cas d une temp rature d air fix e par une consigne l initialisation d EnergyPlus et donc la p riode de r p tition du premier jour de simulation semble suffisante pour d terminer la temp rature d air Si les temp ratures d air dans les zones thermiques sont en volution libre la phase d initialisation d EnergyPlus mal gr 81 r p titions du 1 jour de simulation ne sera pas suffisante pour que les tem p ratures d air ne soient pas influenc es par l tat initial Dans le cas de comparaison entre des r sultats d exp rimentation et des r sultats num riques il est important de bien d terminer la phase d initialisation de l outil pour ne pas avoir des r sultats influenc s par cette phase Pour chaque cas la p riode 7 cette quivalence n est valable que lorsque les temp ratures ext rieures sont inf rieures aux temp ratures int rieures 78 Ti Dee Ne fel 00768506 version 3 4 Confrontation entre mod le et exp rimentation N N N N wo A Temp rature C Temp rature C N 1 3 5 7 9
66. locale du mod le La deuxi me tape consiste va luer les incertitudes associ es ces param tres les plus influents afin de propager cette incertitude dans le code de calcul et valuer l incertitude sur le r sultat Cette tape est effectu e au moyen d approches probabilistes de type Monte Carlo Nous ajoutons une troisi me tape de mani re valuer la responsabilit de chacun des param tres sur les incertitudes associ es au r sultat Cette information est cruciale pour l utilisateur Cette derni re tape est trait e au moyen d une analyse de sensibilit globale sur un jeu de param tres r duit Nous nous sommes appuy s sur la plateforme exp rimentale INCAS situ e PINES au Bourget du Lac 73 pour identifier les incertitudes de mesure mais aussi les incertitudes dont les hypoth ses de mod lisation font l objet Cette m thodologie pourra tre utilis e durant tout le processus de conception d un b timent des premi res esquisses son exploitation En phase de conception cette m thodologie permettra d orienter les choix architecturaux en vitant des options dont la fiabilit des r sultats est incer taine En phase d exploitation elle permettra d identifier les points de mesure les plus pertinents afin de r duire l incertitude des param tres les plus influents pour effectuer un diagnostic nerg tique plus fiable du b timent Elle pourra aussi s tendre aux incertitudes li es aux occupants et
67. m mes cat gories de construction dans le cas du besoin de chauffage et du confort d t Dans le cas de la maison RT2005 des diff rences sont observ es par rapport aux maisons I DM et I BB Cette analyse permet de s lectionner les param tres influents et donc de limiter le nombre de param tres consid r s Dans la suite de l tude l analyse de sensibilit globale sera utilis e La s lection d un nombre restreint de param tres permet d ef fectuer l analyse de sensibilit globale en ayant des temps de calcul raisonnables 2 3 jours Avant l tape de l analyse de sensibilit globale on s est int ress s lectionner les param tres les plus influents et propager leurs incertitudes dans le cas du besoin de chauffage Le confort d t n a pas t pris en compte dans la suite pour ne pas surcharger l tude 4 2 3 Quantification et propagation des incertitudes 4 2 3 1 Analyse d incertitude Le r sultat de l analyse de sensibilit locale permet de s lectionner les param tres les plus influents pour les sorties du mod le num rique Une plage d incertitude et une distribution sont d finies en fonction de chaque param tre Si le param tre refl te un manque de connaissance de la valeur mesur e une distribution normale est alors choisie Si on a une m connaissance de la valeur exacte du param tre une distribu tion uniforme selon Monte Carlo I Macdonald 2001 36 est alors choisie
68. m t orologiques D bit de ventilation 14 01 02 02 02 03 02 04 02 05 02 06 02 Temp rature de consigne o 5 20 A 01 02 02 02 03 02 04 02 05 02 06 02 o a Puissance kW Position des volets ferm AA RE DER ouvert 01 02 02 02 03 02 04 02 05 02 06 02 0 4 F 0102 0202 0302 0402 05 02 06 02 c Puissance de chauffage d Sc nario Figure 2 15 Temp rature d air et puissance de chauffage dans les maisons I DM et I BB m t o et sc nario du 1 au 5 f vrier 2 2 2 Incertitudes sur les champ de temp rature Pour identifier les incertitudes sur le champ de temp rature deux p riodes ont t tudi es Les figures 2 15 et 2 16 pr sentent les temp ratures d air au RDC et l tage des maisons I DM et I BB la puissance de chauffage la m t o et les sc narios respectivement pour les p riodes du 1 au 5 f vrier et du 14 f vrier au 3 mars Gradient de temp rature dans les maisons On constate des carts de tem p rature entre les niveaux du RDC et de l tage dans chaque maison 2 C pour la I DM et 1 C pour la I BB pour la p riode du 1 au 5 f vrier Les carts sont plus importants pour la p riode du 14 f vrier au 3 mars Durant cette p riode l air chaud circule dans les faux plafonds des temp ratures avoisinant 30 C voir 2 2 4 avec une temp rature moyenne de la zone de 12 C Les raisons de ces carts peuvent tre la stratification de l air
69. mesurant le rayonnement global par fa ade de telle sorte ne pas tre influenc s par les masques proches avancement de toit et balcon La simulation calcule le rayonnement in cident par fa ade pour chaque zone en fonction du rayonnement global du fichier m t o Il est possible de comparer le rayonnement mesur par les pyranom tres et le rayonnement incident sur les fa ades de chaque zone calcul par EnergyPlus Cette 81 lol Der ADI Version feld0768506 CHAPITRE 3 La validation des mod les num riques des maisons INCAS Temp rature C Enr 01 02 07 02 13 02 19 02 25 02 03 03 09 03 15 03 21 03 27 03 a Temp rature d air RDC et tage 1 200 1 000R 800 600 Puissance W 400 200 07 02 13 02 19 02 25 02 03103 09 03 Horsgel Normale Hors gel b Puissance de chauffage 0 01 02 Normale 15 03 21 03 27 03 Normale Figure 3 8 R sultat de simulation de la maison I DM temp rature d air RDC et tage et puissance de chauffage 82 dE enie 68506 version tel 007 3 4 Confrontation entre mod le et exp rimentation co a OO 600 m ms ma ij Simulation 5 i 6 2 sl us nr 1 mt a Mesure 500 des l sure wo N a i CO ee E E 200 TE 7 BOOP BIDS didnt 150 g 200 5 100 S oO o a 100 50F 0 0 os Li ii gE je SpE EEE 17 02 06 00 12 00 18 00 18 02 06 00 12 00 18 00 19 02 17 02 06 00 12 00
70. nes physiques complexes comme par exemple la pr vision des changements climatiques ou encore de tester les performances d un avion d une voiture d un bateau ou d un b timent La simulation sert tudier le fonctionnement et les propri t s du syst me mod lis ainsi qu pr voir son volu tion L utilisation d outils de simulation est d cisive dans le processus de conception aussi bien pour des constructions neuves qu en r novation Dans sa th se P Tittelein 61 effectue un tat de l art sur l analyse de cycle de vie des b timents il en conclut que pour r duire l impact environnemental d un b timent il est n cessaire de r duire ses consommations nerg tiques l aide de mod les d taill s et pr cis la simulation thermique dynamique permet d obtenir les temp ratures d air et les temp ratures op ratives dans les locaux permettant d valuer le confort de l occupant Chaque projet tant un prototype la simulation doit permettre de d terminer les meilleures solutions technologiques mais aussi valuer le potentiel de nouveaux syst mes Un exemple est la r duction du besoin de chauffage par optimisation des dimensions des vitrages gr ce la simulation num rique dans le cas de la conception des maisons INCAS au Bourget du Lac car la simulation num rique a permis d valuer diff rentes alternatives au regard de la performance nerg tique et du confort des occupants constituant ains
71. nor 0 246 0 076 0 312 CRIRE R flexion solaire en incidence nor 0 312 0 076 0 246 al entree e Transmission optique incidence 0 889 0 889 ES e R flexion visible en incidence nor 0 055 0 082 0 055 ma aean ES r flexion visible en incidence nor 0 048 0 082 0 055 at ie Transmission infrarouge en inci ER RE Emissivit infrarouge h misph 0 837 0 037 0 037 rique c t int rieur Emissivit infrarouge h misph 0 837 0 837 0 037 rique c t ext rieur Conductivit W70 K Table 13 Propri t s des fen tres triple vitrage des maisons I DM et I BB type de fen tre Epaisseur m Double vitrage 0 016 90 d argon et 10 d air Triple vitrage 0 012 90 d argon et 10 d air Table 14 Propri t s des gaz des fen tres double et triple vitrage des maisons I DM I BB et RT 2005 Conductivit W m K 2 326 Absorption du visible Emissivit thermique h misph rique Table 15 Propri t s des cadres des maisons I DM I BB et RT 2005 157 DAME a felO0768506 version Transmission solaire R flexion solaire Transmission du visible R flexion du visible Emissivit thermique h misph rique Conductivit W m K Distance entre le volet et le vitrage m Table 16 Propri t s des volets roulants des maisons I DM I BB et RT 2005 m2 Porte fen tre 5 05 Double S jour x2 a Porte RE Double Chambre LL Porte fen tre 2 15 Double Porte fen t
72. notamment des besoins en chauffage et la temp rature d air La premi re tape consiste identifier parmi l ensemble des pa ram tres du mod le ceux qui ont une influence pr pond rante sur le r sultat dE NE 68506 version te l 007 CHAPITRE 1 Le monde incertain de la simulation du batiment Ce chapitre pr sente diff rentes sources d incertitude de la simulation thermique dynamique des batiments a faible consommation La fiabilit des outils d crivant ce type de batiments est continuellement remise en question Nous verrons que les r sultats de simulation sont soumis a de nombreuses incertitudes qu il est impor tant de consid rer dans les tudes Plusieurs outils seront pr sent s qui permettent d effectuer des simulations de diff rents niveaux de finesse Les analyses de sensi bilit pr sent es sont des m thodes qui permettent d observer la contribution des param tres d entr es d un mod le la variation des sorties des simulations Tee We fe1 00768506 version CHAPITRE 1 Le monde incertain de la simulation du batiment 1 1 Les enjeux de l utilisation de la simulation thermique dynamique La simulation num rique utilis e dans de nombreux domaines de recherche et d ve loppement comme la m canique l astrophysique la physique nucl aire l a ronau tique la m t orologie est un outil permettant de simuler des ph nom nes r els Il est possible de simuler des ph nom
73. o avec un pas de temps de la minute a t cr de la p riode du 28 janvier au 31 mars 2011 Pour les mesures de rayonnement on consid re les mesures les plus pr cises en terme d appareil de mesure tout en sachant qu il y a une incertitude de mesure 3 3 Hypoth ses de mod lisation Il est impossible de reproduire num riquement l identique un b timent r el et le choix des hypotheses de mod lisation a de l importance Les principales hypoth ses qui ont t faites pour les maisons INCAS sont class es en trois cat gories 72 Th beg rie fel 00768506 version 3 3 Hypoth ses de mod lisation Combles a photo b mod le num rique Figure 3 3 Maison exp rimentale de la plateforme INCAS vue Sud et Ouest enveloppe thermique syst me nerg tique mod le num rique Pour l enveloppe thermique les hypoth ses sont Division en zones thermiques Le modele retenu a t consid r avec 4 zones thermiques 2 zones thermiques chauff es le RDC et le premier tage et deux zones thermiques tampons qui sont le vide sanitaire et les combles La figure 3 3 repr sente les zones thermiques consid r es Deux autres hypoth ses auraient t possibles de mod liser chaque pi ce par une zone thermique de mod liser le RDC et l tage comme une seule zone Durant la p riode tudi e les portes l int rieur des maisons taient ouvertes cr ant des mouvements d air e
74. or en l absence de ce gaz l efficacit du vitrage diminue ainsi que la performance du b timent induisant un cart sur la consommation nerg tique du b timent La conception de b timents faible consommation nerg tique demande d am liorer ou de mettre en place de nouveaux outils Les paragraphes pr c dents se sont int ress s lister les hypoth ses de mod lisation qui induisent de nombreuses biais et incertitudes sur les r sultats dans le cas de b timent faible consommation Mais de nombreuses autres sources d incertitudes existent et ne sont pas d crites ici comme la mod lisation du rayonnement et la prise en compte de la tache solaire le d coupage en zone thermique les effets du vent la pr sence de l humidit dans les mat riaux et dans l air Pour la mod lisation de b timents faible consommation nerg tique plusieurs cen taines d outils existent Chaque outil ne r pond pas aux m mes besoins avec la m me pr cision le paragraphe suivant s int ressera classer les outils en diff rentes cat gories en fonction de leur pertinence 11 dm en fel 00768506 version CHAPITRE 1 Le monde incertain de la simulation du batiment 1 3 4 Les outils de simulation et b timent faible consom mation nerg tique Ces derni res d cennies plusieurs centaines d outils de simulation du comportement nerg tique des b timents ont t d velopp s a travers le mon
75. particulier tre coupl avec d autres logiciels de thermique du b timent tels que TRNSYS 50 Comfie et CoDyBa sont des outils permettant une mod lisation en r gime dynamique mais la mod lisation des syst mes nerg tiques est tr s simplifi e notamment dans la prise en compte des ph nom nes hydriques ou des mod lisations a rauliques Ce sont de bons outils de dimensionnement d enveloppe ou d optimisation qui peuvent pr voir une volution du niveau de temp rature en condition r elle de fonctionnement comme EnergyPlus et Trnsys voir figure 1 4b Spark Simulation Problem Analysis and Research Kernel est un environnement de simulation g n ral permettant de r soudre de fa on efficace des syst mes d qua tions alg briques et diff rentielles 63 Il a t d velopp essentiellement au LBNL En France les laboratoires du LEPTIAB et le LOCIE ont utilis et d velopp cet outil Son langage de programmation est orient objet Il a t d velopp pour simu ler le comportement thermique des b timents mais il peut r soudre des quations de n importe quel domaine scientifique En France les principaux sujets des travaux avec Spark ont port sur le transfert a raulique par les mod les zonaux th se de E Wurtz 1995 64 le transfert a raulique par des mod les de diff rents niveaux de finesse th se de L Mora 2003 45 le d veloppement de mod le pour la mo d lisation de la ventilatio
76. premi res mesures sont disponibles depuis juillet 2010 et dans le cadre de ce travail on s int ressera aux mois de f vrier et de mars 2011 Les b timents exp rimentaux ne sont pas habit s n anmoins les charges internes d gag es par les appareils de mesure correspondent des puissances quivalentes une famille de 4 personnes 43 dm en fel 00768506 version d CHAPITRE 2 La probl matique des incertitudes en regard d une plateforme d exp rimentation 2 2 1 valuation de la fiabilit des donn es sur deux b ti ments suite a un arr t du chauffage Dans cette partie on s int resse aux mesures de temp rature d air et aux mesures de puissance La figure 2 13 pr sente le sc nario appliqu aux deux maisons pendant la p riode d tude ainsi que la moyenne de la temp rature ext rieure journali re et la moyenne du rayonnement direct journalier La figure 2 14 repr sente la temp rature dans la zone du repas et la chambre 2 et les puissances de chauffage des maisons I DM et I BB du ler f vrier au 31 mars Durant cette p riode toutes les portes int rieures des maisons taient ouvertes Le choix de la zone repas ainsi que la chambre 2 permet de comparer les temp ratures entre les niveaux sachant que ces capteurs sont repr sentatifs de chaque niveau voir en 2 2 2 Sur la figure 2 14 on observe le changement de sc nario les mois de f vrier et de mars Durant les p riodes d arr t du chauffage l
77. qu l tage de plus de 1 C Il y a une diff rence de comportement entre les niveaux in duisant des carts de temp rature La temp rature d air au RDC est comprise dans une plage d incertitude de 0 4 C la nuit et de 1 C le jour et la plage d incertitude de la temp rature a l tage est constante avec une valeur de 0 7 C Les deux capteurs positionn s dans la zone s jour n ont pas le m me comportement durant les heures d ensoleillement Cette diff rence peut s expliquer par la diff rence de bouclier thermique install autour des sondes Le capteur s jour n 2 est plus sensible au rayonnement 61 DAME Ne fel 00768506 version CHAPITRE 2 La probl matique des incertitudes en regard d une plateforme d exp rimentation Cuisine 26 Chambre 1 Repas Chambre 2 S jour n 1 LT Chambre 3 n S jour n 2 25 i Chambre 3 n 2 Z Palier rdc Salle de bain 2 2 WC tage g g 24 z Palier tage O s g Q 3 23 SA o o F Fe E i 22 i 21 i i 00 00 06 00 12 00 18 00 00 00 80 00 06 00 12 00 18 00 00 00 a RDC b Etage rayonnement direct rayonnement global temp rature ext rieure Temperature C rayonnement W m2 20 0 00 00 06 00 12 00 18 00 00 00 c Conditions m t orologiques Figure 2 30 Temp rature d air s che dans la maison I DM pour le 25 mars 2011 Observation des pics de temp ratures
78. rature d air tage Figure 3 18 Comparaison entre la simulation et la mesure pour la moyenne et la variance journali re des temp ratures d air du RDC et de l tage pour la maison I BB 3 4 6 Cas 2 la maison en b ton banch Pour le cas de la maison I BB apr s le 14 f vrier la temp rature de consigne a t modifi e le 23 puis le 25 f vrier afin d atteindre la temp rature de consigne gale a 20 C Pour la simulation les m mes sc narios ont t consid r s et on analyse uniquement la temp rature d air et la puissance de chauffage Temp rature d air La figure 3 18 repr sente la comparaison entre l exp rimen tation et la simulation pour les moyennes et les variances journali res pour les tem p ratures d air du RDC et de l tage du 1 f vrier au 30 mars 2011 On observe de gros carts entre les r sultats de mesure et de simulation Si les r sultats pour le RDC sont a peu pr s coh rents entre la mesure et la simulation ce n est pas le cas pour tage Pour la variance les m mes ph nom nes par rapport la I DM sont observ s et elle est tr s faible par rapport a la mesure 93 RE Ne 68506 version te l 007 CHAPITRE 3 La validation des mod les num riques des maisons INCAS z 3 A 5 po Doupecb oct Mesure i e Simulation Puissance W 0 2 5 3 3 5 z 5 3 a 3 z 01 02 07 02 13 02 19 02 25 02 03 03 09 03 15 03 21 03 27 03 Figure 3
79. res lignes sont des in formations sur la localisation longitude latitude GMT altitude les conditions annuelles les temp ratures mensuelles du sol les p riodes de vacances et la p riode consid r e dans le fichier pas de temps d but et fin du fichier Chaque ligne com mence par un mot cl LOCATION DESIGN CONDITIONS A partir de la ligne 9 c est les donn es m t orologiques 160 dm en fel 00768506 version Deux lignes sont particuli rement int ressantes la premi re LOCATION et la hui ti me DATA PERIODS Pour la ligne LOCATION les donn es renseign es sont dans l ordre d apparition la ville l tat ou la province le pays la source du fichier le WMO Number num ro qui permet de reconnaitre la station m t o la latitude la longitude le fuseau horaire et l altitude Dans notre cas plusieurs donn es ne sont pas renseign es et sont remplac es par Pour la ligne DATA PERIODS les donn es renseign es sont dans l ordre d apparition le nombre de p riode le pas de temps 1 une heure 60 1 minute 30 2 minutes jour de la semaine auquel la simulation d bute lundi mardi jour du d but du fichier dernier jour du fichier 161 aP Mae Anie tel 00768506 version 1 Annexe H Caract ristiques des colones du fichier m t o d EnergyPlus n de co Description du para g mesure ou valeur par d faut lonne m tre Awe OoOO O SSS mo ooo EE jor RE D
80. simulation Dans le cadre d une confrontation entre des r sultats de simulation et de l exp rimentation la phase d initialisation d un outil de simulation dynamique est tr s importante Les premiers jours de simulation sont directement influenc s par cette tape Pour limiter les erreurs il est important de choisir correctement la p riode de simulation et de ma triser l initialisation Pour effectuer l initialisation EnergyPlus consid re au d but de la simulation une temp rature de zone et de parois de 23 C il r p te ensuite le premier jour simul jusqu ce que les grandeurs de celui ci se stabilisent Deux param tres permettent de contr ler cette initialisation la valeur de la convergence ainsi qu un nombre maximum de r p tition du premier jour de simulation EnergyPlus permet l tude TT dm en fel 00768506 version CHAPITRE 3 La validation des mod les num riques des maisons INCAS des r sultats de la p riode d initialisation si l utilisateur le demande Pour s affran chir d une partie des erreurs dues l initialisation si la simulation est annuelle il est aussi possible avec EnergyPlus de r p ter la p riode de simulation et de ne post traiter que la seconde p riode simul e Dans la suite de ces travaux nous avons tudi l influence de la p riode d initiali sation sur l volution de la temp rature d air Nous avons mod lis la maison I DM sur la p ri
81. tance croissante dans la conception de b timents de plus en plus performants tout en mettant en exergue les limites de cette approche quand sa fiabilit et aux nom breuses incertitudes li es au b timent et aux mod les num riques Avant de d tailler la m thodologie propos e pour d terminer les param tres les plus influents et pro pager les incertitudes dans le chapitre suivant il est n cessaire de valider le mod le num rique utilis des maisons INCAS ce qui est l objectif de ce chapitre 3 1 Validation des mod les thermiques La validation d un code de simulation est une tape importante pour un outil de simulation Trois tapes sont g n ralement n cessaires une v rification analytique une comparaison inter logiciels une validation exp rimentale Les deux projets les plus connus s tant int ress s la validation des outils de si mulation appliqu es la thermique des b timents sont PASSYS 32 et BESTEST 48 491 Une tape de la validation consiste d finir des variables qui pourront tre compar es entre les r sultats num riques et les r sultats exp rimentaux La diff rence entre les mesures et les r sultats num riques nomm e r sidus doit tre minimis e T A Mara 2000 39 travaill durant sa th se sur la validation du logiciel CODYRUN permettant la simulation thermoa raulique du b timent La figure 3 1 pr sente la m thodologie qu il a mis en place Les princ
82. une mesure pr cise la longueur de la gaine doit tre sup rieure 10 m tres en aval et 10 m tres en amont et la mesure de d bit est donc sujette de nombreuses incertitudes L in certitude de mesure est estim e 8 5 de la mesure mais cette incertitude ne tient pas compte de la longueur de gaine insuffisante D autres mesures de d bit d air sont galement effectu es r guli rement l aide de balom tre Ces d bitm tres permettent de confirmer les mesures ultrason Un balom tre permet la mesure du 42 dm en fe1 00768506 version 2 2 La probl matique des incertitudes sur l exemple de la plateforme d exp rimentation d bit volum trique des filtres grilles et diffuseurs en utilisant la mesure de pression diff rentielle Cet appareil a une incertitude d environ 10 L humidit est mesur e chaque niveau de la maison dans le salon pour le RDC et sur le palier l tage L incertitude du capteur de mesure est de 0 5 HR de 10 90 HR Les mesures lectriques sont effectu es par des capteurs qui mesurent les consom mations et productions lectriques puissance active courant tension de chaque maison en continu ou alternatif Les incertitudes annonc es par le distributeur sur les mesures en courant continu sont de 1 0 et de 0 50 pour le courant alternatif Les mesures d humidit et de temp rature dans les mat riaux pour la I DM sont effectu es par un capteur capacitif poly
83. 0W de charge interne constant tout au long de la journ e Nous avons consid r que l nergie consomm e est gale l nergie dissip e des appareils ce qui corres pond 2 2W m Le label PassivHaus consid re un apport de chaleur interne gal 2 1W m et la RT2005 4 5W m Ces ratios comportent une forte incertitude que l on consid rera par la suite Pont thermique Une attention particuli re a t port e la r duction de poten tiels ponts thermiques lors de la conception et de la construction Dans EnergyPlus la mod lisation des ponts thermiques n est pas directement pr vue Le calcul d une surface quivalente thermique doit tre effectu afin d int grer le pont thermique Dans notre cas aucun pont thermique n a t pris en compte Cette hypoth se peut engendrer une enveloppe thermique plus performante que la r alit Albedo Le sol jouxtant les maisons est du sable blanc et proximit on a de l herbe or la valeur de l alb do est diff rente entre ces deux rev tements Concernant la valeur consid rer dans les codes de simulation le sable blanc proximit des maisons est pr dominant avec un albedo de 0 35 Cette valeur a t mesur e au cours de l t 2011 mais une incertitude d environ 10 est prendre en compte en raison de l incertitude sur la mesure Syst me nerg tique Le syst me nerg tique de la maison a t mod lis fine ment l aide d EnergyPlus Il est
84. 0b repr sente le r sidu qui est la diff rence entre la simulation et la mesure r t Umere t _ Usimitation t 3 1 Pour le vide sanitaire la temp rature d air fluctue peu par rapport la temp rature ext rieure On observe une augmentation de la temp rature d air dans la simulation d s le changement de mois due la modification de la temp rature du sol Le r sidu est positif au mois de f vrier et n gatif au mois de mars et la valeur absolue du r sidu est au maximum gale 2 C Le vide sanitaire est une zone non chauff e et pour affirmer que la temp rature d air du vide sanitaire est non influente sur la temp rature d air du RDC une simulation a t effectu e en consid rant 1 C par rapport aux temp ratures mensuelles du sol consid r dans la simulation pr c dente Cette augmentation de temp rature du sol a eu comme effet que la temp rature du vide sanitaire tait augment e de 1 C tandis que l augmentation pour la temp rature d air du RDC tait au maximum gale 0 05 C On peut conclure qu une variation de temp rature du vide sanitaire de l ordre du degr est non influente sur la temp rature d air de la maison 84 Tt ee ite fe1 00768506 version 3 4 Confrontation entre mod le et exp rimentation Simulation Mesure Temp rature ext rieure T mp rature C 27 02 28 02 01 03 02 03 03 03 04 03 05 03 06 03 07 03 08 03 09 03 10 03 a Temp rature des co
85. 11 13 15 17 19 21 23 25 Nombre de jour de r p tition a Temp rature d air du 1 au 26 janvier pour la b Phase d initialisation r p tition du 1 jour 1 re et 2 me ann e de simulation le 1 janvier 01 01 06 01 11 01 16 01 21 01 26 01 18 Figure 3 5 Temp rature d air pour la premi re configuration et phase d initiali sation avec une consigne du chauffage de 19 C 24 220 20i 5 Be p o S 2 16 3 3 14 o Fe FE vee 16 01 21 01 26 01 8 a 01 01 06 01 11 01 1 2 ha T m t Pi m 1 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 Nombre de jour de r p tition a Temp rature d air du 1 au 26 janvier pour la b Phase d initialisation r p tition du 1 jour 1 et 2 me ann e de simulation le 1 janvier Figure 3 6 R sultat de la temp rature d air pour la deuxi me configuration et phase d initialisation en volution libre 79 AE Aie fe1 00768506 version d CHAPITRE 3 La validation des mod les num riques des maisons INCAS convergence 0 01 convergence 0 001 convergence e 10 _1 Ann e 2 Temp rature C CY ie sere Re ONE 01 01 07 01 13 01 19 01 25 01 31 01 06 02 12 02 Figure 3 7 Comparaison de r sultats de temp rature d air du RDC avec diff rentes valeurs de convergences d initialisation est diff rente elle d pend de nombreux facteurs comme le type de b timent l volution libre ou n
86. 19 Comparaison entre la mesure et la simulation pour la puissance journali re de chauffage pour la maison I BB Puissance de chauffage La figure 3 19 repr sente la comparaison entre la simu lation et la mesure de la puissance journali re du 1 f vrier au 30 mars 2011 A partir du 10 mars les temp ratures d air pr dites et mesur es dans les maisons sont sup rieures la consigne On observe les m mes r sultats que pour la maison I DM Dans la simulation partir du 10 mars la r sistance lectrique ne se met plus en route Pour la p riode de la relance de chauffage partir du 14 f vrier les puis sances de chauffage mesur es et pr dites sont au maximum Dans le cas de la mod lisation des maisons I DM et I BB on se rend compte de toute la difficult de la comparaison entre la mesure et la simulation Les carts entre les mesures et la simulation sont importants mais il est impossible de conna tre ce stade les param tres influen ant le plus les sorties du mod le pour am liorer le mod le num rique 3 5 Conclusion EnergyPlus l outil qui a t choisi pour effectuer ces travaux a fait l objet de nom breuses validations et est adapt pour la mod lisation de b timents faible consom mation nerg tique Une attention particuli re doit tre port e la phase d initiali sation de la simulation Pour effectuer une comparaison entre l exp rimentation et la simulation un fichier m t o a t
87. 3 esas au mer ee e haleur sp cifique de la 880 J kg K normale 10 Es a 9 conductivit de la chape 2 75 W m K 5 paisseur de la dalle normale 10 paisseur du carre TR 12 r flexion vitrage ext 0 312 normale 5 rieur d bit de ventilation 135 m h 10 Table 4 4 Tableau des param tres et plage de variation pour la maison I BB CO est en 28 position mais nous avons pr f r le consid rer dans la suite des travaux comme pour la I DM Les param tres avec leurs incertitudes sont repr sent s dans le tableau 4 4 Maison RT 2005 Les treize premiers param tres d termin s l aide de l analyse de sensibilit locale ont t consid r s Les param tres avec leurs incertitudes sont repr sent s dans le tableau 4 5 115 DAME SN felO0768506 version CHAPITRE 4 Simulations et tude des param tres influents des maisons INCAS 2 conductivit laine de 0 039 W m K normale 5 pe verre 4 transmission vitrage ex 0 842 normale 5 t rieur r flexion vitrage ext 0 312 normale 5 rieur conductivit polystyr ne 0 035 W m K normale 5 expans paisseur polystyr ne ex normale 3 pans conductivit laine de 0 039 W m K normale 5 verre des combles paisseur laine de verre 0 12 m normale 10 des combles 11 coefficient de convection 3 08 W m K uniforme 10 ce orne 12 absorptivit e
88. 6 besoin de chauffage kWh m an besoin de chauffage kWh m an b Maison I BB c Maison RT 2005 Figure 4 17 Histogramme des besoins de chauffage pour les trois maisons pour 2000 simulations 119 dm en fel 00768506 version CHAPITRE 4 Simulations et tude des param tres influents des maisons INCAS 4 2 4 Param tres influents et plages de variation 4 2 4 1 Analyse de sensibilit globale Les analyses de sensibilit globale consistent quantifier l influence des param tres sur toute leur plage de variation et permettent de conna tre l effet d un param tre sur la sortie du mod le en fonction de son incertitude Elles prennent en compte la distribution associ e aux param tres et permettent la variation de tous les pa ram tres la fois On va calculer deux indices de sensibilit l indice du premier ordre et l indice total L indice du premier ordre S renseigne sur l influence du pa ram tre sur la sortie du mod le sur sa plage d incertitude La somme des indices du premier ordre est environ gale 1 L indice total Sr renseigne sur la sensibilit du param tre seul et la sensibilit aux interactions de ce param tre avec d autres param tres Plus l indice de sensibilit est lev plus son influence est importante Cette m thode est co teuse en temps de calcul plus il y a de param tres plus le nombre de simulations doit tre lev pour obtenir un r sultat fiable Dans notre cas
89. 8 Fadi CHLELA D veloppement d une m thodologie de conception de batiments a basse consommation d nergie PhD thesis Universit de La Rochelle 2008 J A Clarke Energy simulation in building design Second Edition Buttrworth Heinemann 2010 D B Crawley J W Hand and L K Lawrie Improving the weather information available to simulation programs In Proceedings of Building Simulation 99 volume 2 1999 D B Crawley L K Lawrie F C Winkelmann W F Buhl Y J Huang C O Pedersen R K Strand F J Liesen D E Fisher M J Witte and J Glazer Energyplus creating a new generation building energy simulation program Energy and Buildings 33 319 331 2001 P de Wilde and W Tian Predicting the performance of an office under cli mate change A study of metrics sensitivity and zonal resolution Energy and Buildings 42 1674 1684 2010 S de Wit and G Augenbroe Analysis of uncertainty in building design eva luations and its implications Energy and Buildings 34 951 958 2002 E Palomo del Battio and G Guyon Theoretical basis for empirical model validation using parameters space analysis tools Energy and buildings 35 985 996 2003 E Palomo del Battio and G Guyon Application of parameters space analysis tools for empirical model validation Energy and buildings 36 24 33 2004 F Dominguez Munoz J M Cejudo L pez and A Carrillo Andr s Uncertainty in peak cooling load calculations Ener
90. 8 13 a d ve lopp une m thodologie l aide des plans d exp rience pour optimiser la conception de b timent faible consommation d nergie 1 4 1 4 Analyses de sensibilit globale Les analyses de sensibilit globale s int ressent l influence des param tres sur toute leur plage de variation Elles prennent en compte la distribution associ e au para m tre et permet la variation de tous les param tres la fois Elles sont co teuses en temps de calcul Les plus r pandues sont les m thodes de Sobol FAST Random Balance Design et l analyse de Monte Carlo Les indices de sensibilit sont calcul s dans le cas de m thode se basant sur l tude de la variance consistant d terminer quelle part de la variance de la r ponse est due la variation de chaque param tre Ces techniques comprennent les m thodes FAST et Sobol Les indices de sensibilit sont L indice du premier ordre S qui quantifie la sensibilit de la sortie y par rapport au param tre d entr e x L indice du deuxi me ordre S qui quantifie la sensibilit de la sortie y par rapport l interaction crois e de x et x sans prendre en compte l effet des variables seules Les indices d ordre sup rieur deux peuvent aussi tre d termin s ils quantifient la sensibilit de la sortie y par rapport l interaction crois e des param tres sans prendre en compte l effet des variables seules L indice total corre
91. 8 02 09 03 18 03 27 03 01 02 10 02 19 02 28 02 09 03 18 03 27 03 c Variance temp rature d air RDC d Variance temp rature d air tage Figure 3 13 Comparaison entre la simulation et la mesure pour la moyenne et la variance journali re des temp ratures d air du RDC et de l tage pour la maison IDM niveau d termin dans le chapitre 2 qui a t choisi Les figures 3 13a et 3 13b repr sentent la comparaison entre lexp rimentation et la simulation pour les moyennes journali res pour les temp ratures d air du RDC et de l tage et les figures 3 13d et 3 13c repr sentent les variances journali res des temp ratures d air du RDC et de l tage pour la p riode du 1 f vrier au 30 mars 2011 La variance est la moyenne des carr s des carts la moyenne Plus la variance est grande plus l amplitude de temp rature journali re est lev e Incertitudes dues la tache solaire On observe que la variance de la si mulation est faible par rapport la variance de la mesure Ces diff rences sont dues aux hypotheses de mod lisation et principalement l incertitude due la tache solaire Dans la simulation une zone est gale un seul niveau Le flux solaire est r parti uniform ment dans toute la zone et une unique temp rature est calcul e pour la zone Dans les maisons la proportion de rayonnement est r partie entre les pi ces en fonction de la superficie des vitrages La zone repas a de nombreuses ouve
92. APITRE 4 Simulations et tude des param tres influents des maisons INCAS paisseur de la chape paisseur poutrelle entrevous du plancher interm diare chaleur sp cifique de la chape masse volumique de la chape conductivit de la chape paisseur de la dalle du plancher interm diaire paisseur du carrelage transmission Vitrage ext rieur double EE 9 masse volumique poutrelle entrevous du plancher interm diaire GE 10 chaleur sp cifique poutrelle entrevous du plancher interm diaire conductivit du carrelage masse volumique de la dalle des planchers chaleur sp cifique de la dalle des planchers debit de ventilation conductivit de la dalle des planchers paisseur polystyr ne extrud mur ext rieur conductivit polystyr ne extrud mur ext rieur coefficient de convection int rieure vertical conductivit poutrelle entrevous du plancher interm diaire coefficient de convection int rieure plancher masse volumique du Carrelage chaleur sp cifique du carrelage r partition du d bit entre les zones Albedo EJ 25 absorptivit enduit ext rieur E 26 r flection Vitrage int rieur double c t int rieur Figure 4 12 R sultat de l analyse de sensibilit locale pour le confort d t pour le rez de chauss pour la maison I BB indice de sensibilit Re CE OO ER A A RS RS A A E E N 1234567 8 9 10111213 1415 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 1 absorptivit
93. B 45 Temp rature d air et puissance des maisons I DM et I BB du ler f vrier au 31 MAS 244 du Los oe Ooh Se SSS ewe be eee ee 46 Temp rature d air et puissance de chauffage dans les maisons I DM et I BB m t o et sc nario du 1 au 5 f vrier 47 Temp rature d air dans les maisons I DM et I BB et m t o du 14 f vrier a 3 mars sorce dace hu dau an De a de Da on 48 Gradient de temp rature au RDC de la maison I DM et conditions m t orologiques pour 10 jours en f vrier et 10 jours en mars 50 Diff rence de temp rature journali re des maisons I DM et I BB pour le RDC et rayonnement direct journalier du 1 f vrier au 30 mars 52 R seau de ventilation oa oa HART RS PSN etre 53 Sch ma de l changeur 4 2 see A pe oe ee wee we Re eS 53 Temp rature d air aux extr mit s de l changeur pour le mois de f vier 201 fie eh das p de 8 OE OGRE De Oa ee Ra 4 54 Efficacit de l changeur 4 44 444 ee dee ee bee Be SG ws Do Temp rature d air du r seau de ventilation pour le mois de f vrier 2011 56 Mesure du d bit pour la maison I DM du 1 au 4 mars 57 Mesure du d bit pour la maison I DM le 13 et 14 avril 57 Comparaison des mesures de d bit par le balom tre et le d bitm tre A WNEASON Le Foe da taie A eee ake adad 58 Positionnement des capteurs une hauteur de 1 10m dans la maison EDM eee ee anea ES St ee ee ae a ca 59 Temp rature d air s che d
94. BESTEST in depth ground coupled heat transfer tests related to slab on grade construction Technical report U S Departement of Energy 2010 R H Henninger M J Witte and D B Crawley Analytical and comparative testing of energyplus using IEA HVAC BESTEST E100 E200 test suite Energy and Buildings 36 855 863 2004 Julien Jacques Contribution l analyse de sensibilit et l analyse discrimi nante g n ralis e PhD thesis Universit Joseph Fourier Grenoble I 2005 S Jensen Validation of building energy simulation programs a methodology Energy and Buildings 22 133 144 1995 Ron Judkoff Final task management report IEA solar heating and cooling program task 34 testing and validation of building energy simulation tools Technical report IEA 2008 E Kr gera and B Givoni Thermal monitoring and indoor temperature pre dictions in a passive solar building in an arid environment Building and Envi ronment 43 1792 1804 2008 A Lenoir E Ottenwelter A Bornarel O Hernandez and F Garde Etat de l art des b timents nergie positive en france retour d exp rience et com paraison des consommations nerg tiques calcul es en phase de conception et mesur es en phase d utilisation du b timent In conf rence IBPS A France 2010 I Macdonald and P Strachan Practical application of uncertainty analysis Energy and Buildings 33 219 227 2001 I A Macdonald and J A Clarke Appl
95. E 1 Le monde incertain de la simulation du b timent propos par Morris 1991 46 pour d terminer sur les 89 param tres identifi s les plus influents Cinq param tres sont responsables de la majorit de l incertitude sur le confort thermique le coefficient de pression du vent le facteur de r duction du vent la stratification de la temp rature la temp rature ext rieure le coefficient de convection ext rieur Tous ces travaux ont montr que l valuation de chacune des alternatives doit per mettre d aider le concepteur prendre sa d cision Le fait de disposer de l incertitude associ e au r sultat peut montrer les limites de la recherche d une meilleure solu tion alors que les r sultats des diff rentes alternatives sont confondus dans la m me bande d incertitude 1 5 Conclusion Ce premier chapitre a pr sent diff rentes sources d incertitudes concernant notam ment les outils de simulation thermique dynamique appliqu s aux batiments a faible consommation La simulation est un outil d aide a la d cision essentiel et un outil de persuasion pour faire adopter les meilleurs solutions techniques Elle permet d va luer diff rentes alternatives au regard de la performance nerg tique et du confort des occupants De nombreux outils existent et les plus r pandus ont t pr sent s dans ce chapitre Cependant bien que ces outils existent depuis longtemps leur fia bilit e
96. ER EC CO AE 6 EC EE ie temp rature ext rieure s che a alae du point de ro calculer avec la temp rature ext rieur et l humidit 19 ane relative ext rieure a 10 pression atmosph rique mesure rizontal calisation irradiance extraterrestre horizontal rect normal radiation multipli par la hauteur du soleil Rayonnement global hori al Dm rayonnement direct normal W m 16 rayonnement diffs W m clairement global horizon Af tal Table 21 Description des colonnes 1 25 des fichiers m t o d EnergyPlus mesure mesure valeur par d faut a inclut la major du montant de ciel couvert mais pas cach s transparent indiqu e en dixi mes de sorte que 0 indique un ciel clair et 1 ou 10 10 indique un ciel compl tement couvert b iquantit de ciel compl tement cach par les nuages 162 DAME SN lelO0768506 version MS Descripman du parm mesure ou valeur par d faut lonne m tre Hauteur du plafond nua valeur par d but geux m observation m t orologique valeur par d faut code de l observation m valeur par d faut t orologique valeur par d faut hauteur de la neige valeur par d faut nombre de jour depuis le alun Acta quel il a neig Albedo valeur par d faut hauteur des pr cipitations valeur par d faut quantit des pr cipitations valeur par d faut Table 22 Description des colonnes 26 35 des fichiers m t o d EnergyPlu
97. M temp rature ext rieure et charges internes d gag es au RDC du 20 au 28 juillet 103 dm en fel 00768506 version CHAPITRE 4 Simulations et tude des param tres influents des maisons INCAS Les trois batiments tudi s ont des modes constructifs et des performances ther miques diff rentes On va maintenant rechercher quels sont les param tres les plus influents sur le besoin de chauffage et le confort d t dans ces diff rents batiments 4 2 2 Recherche des param tres influents 4 2 2 1 Analyse de sensibilit locale Pour d terminer les param tres les plus influents pour le besoin de chauffage et pour le confort d t des trois b timents tudi s la m thode d analyse de sensibilit locale pr sent e en partie 1 4 1 2 a t utilis e On s est int ress la m thode de perturbation d un param tre la fois La valeur de la perturbation est gale 1 de sa valeur nominale 4 2 2 2 Param tres tudi s Nous avons tudi un un l influence des m mes param tres sur le comportement des trois maisons I DM I BB et RT 2005 Les param tres consid r s sont la conductivit l paisseur la masse volumique la chaleur sp cifique des mat riaux opaques pour les enduits int rieurs et ext rieurs l absorptivit et l missivit pour les mat riaux translucides les propri t s physiques des vitrages transmis sion r flexion paisseur conductivit l
98. S dirig succes sivement par Fran oise Burgun et Olivier Fl chon Je tiens les remercier pour leur accueil Ce travail a t soutenu par l Agence de l Environnement et de la Ma trise de l Ener gie ADEME et par l Assembl des Pays de Savoie APS je leur suis particuli re ment reconnaissante Je tiens remercier sinc rement tous ceux qui ont contribu de pr s ou de loin la r ussite de ce travail et en particulier merci M Jean Jacques Roux Professeur l INSA Lyon pour avoir accept le r le de Pr sident de jury et celui de rapporteur M Bruno Peuportier Ma tre de recherche MINES ParisTech pour avoir t rapporteur de ce travail M Darren Robinson Professeur l Universit de Nottingham pour avoir ac cept d tre examinateur et de travailler sur un manuscrit en fran ais M Hubert Despretz Ing nieur ADEME pour son r le d examinateur tous les membres du jury pour les remarques constructives qui ont t apport es lors de la soutenance mon directeur de th se M Etienne Wurtz Directeur de recherche au CEA INES pour m avoir permis de travailler sur une probl matique riche de perspectives pour la confiance et la grande autonomie qu il m a accord e me permettant de d couvrir le monde de la recherche mon co directeur de th se M Laurent Mora Ma tre de conf rence l universit de Bordeaux qui a su m aider
99. a laine de verre le d bit d infiltration et le coefficient de convection int rieur vertical Les 9 autres param tres ont des indices de sensibilit quasi nuls 4 2 4 4 Analyse des r sultats On peut remarquer que pour les trois b timents tudi s les param tres ayant les indices de sensibilit globaux les plus lev s sont des param tres se rapportant aux syst mes nerg tiques comme pour les r sultats de l analyse de sensibilit locale Une diff rence entre les b timents performants et la maison RT2005 est la r partition des indices de sensibilit Pour le cas de la maison RT2005 pour r duire l incertitude sur le besoin de chauffage trois param tres sont pr pond rants tandis que pour les maisons I DM et I BB environ 10 param tres ont leurs indices de sensibilit globaux sup rieurs 0 1 Ce qui montre que dans le cas d un b timent performant de nom 123 dm en fel 00768506 version CHAPITRE 4 Simulations et tude des param tres influents des maisons INCAS breux param tres sont responsables d une petite part de l incertitude sur le r sultat Pour les deux maisons I DM et I BB c est l efficacit de l changeur qui est respon sable de la plus grande part d incertitude sur le r sultat Pour le cas de la I DM l isolant des parois verticales est la laine de verre qui est un mat riau souple avec une grande incertitude sur la valeur exacte de son paisseur une incertitude lev e gale
100. abilit appropri e de X s est discr tis e de mani re croissante dans l inter valle 7 7 et w sont les fr quences enti res associ es aux param tres X L effet principal d un param tre est calcul en consid rant sa fr quence associ e ainsi que ses harmoniques sur le spectre de la sortie consid r e Il se calcule de la mani re suivante pail Bs Avec A et B les coefficients de la transform e de Fourier de Y en cosinus et sinus respectivement Pour calculer l indice de sensibilit du premier ordre et total selon la m thode ex tanded FAST une fr quence f est choisie pour le param tre x tandis que tous les autres param tres ont une fr quence fy gale voir proche entre elles La fr quence f choisie pour le parametre x doit tre loign e des fr quences associ es aux autres param tres afin d viter tout probl me d interf rence 21 dE en fe1 00768506 version CHAPITRE 1 Le monde incertain de la simulation du batiment T A Mara et al 2002 41 pr sentent une m thode pour identifier les param tres les plus influents Cette m thode pr sent e sur la figure 1 5 a de nombreux points communs avec la m thode FAST Ils effectuent une comparaison entre les mesures et les r sultats de simulation L analyse de sensibilit a permis de faire un diag nostic du batiment et a montr les faiblesses du mod le physique et on en conclut que le nombre de param tres dans une tude d
101. afin de propager cette incertitude dans le code de calcul et d valuer l incertitude sur les r sultats La troisi me tape consiste valuer la responsabilit de chacun des param tres sur les incertitudes associ es au r sultat Cette derni re tape est trait e au moyen d une analyse de sensibilit globale sur un jeu de param tres r duit Une tude a port sur le besoin de chauffage pour trois b timents la maison I DM la maison I BB et une maison RT 2005 et quel que soit le batiment tudi les para m tres influents font partie des m mes cat gories qui sont les pertes par infiltration le renouvellement d air de la maison et l isolation Les r sultats de l analyse d incerti tude ont montr que l augmentation du besoin de chauffage entra ne une diminution de l incertitude relative et une augmentation de la valeur absolue d incertitude Pour la I DM la moyenne du besoin de chauffage est de 16 8kWh m an son incertitude relative est d environ 18 Pour la I BB la moyenne du besoin de chauffage est gale 11 1kWh m an et son incertitude relative est environ gale 23 Pour la RT 2005 la moyenne du besoin de chauffage est gale 113 2kWh m an et son incertitude relative est environ gale 9 L augmentation du besoin de chauffage entra ne une diminution de l incertitude relative et une augmentation de la valeur absolue d incertitude Une seconde tude s est int ress e la temp rature
102. ais ce n est pas le cas pour l tage Sur la figure 4 28 on observe que la plage d incertitude de la simulation est 135 DAME Ne fel 00768506 version CHAPITRE 4 Simulations et tude des param tres influents des maisons INCAS R sistance lectrique 1207 oO O Cc oO o 2 L 0 1092 1150 ressistance W paisseur laine de verre Lo i s 2 P g 250f eee EEE T O lt L g 0 16 0 18 0 2 0 22 paisseur m gains internes RDC o 300p amp 200f 3 100 E o 162 170 180 190 gains W d bit d infiltration oO oO Cc oO o 2 LL 0 138 D bit V h paisseur du parpaing oO O Cc oO j o 2 LL 0 14 0 15 paisseur m Figure 4 27 Incertitude et chantillonnage des param tres influents pour la mai son I DM pour le sc nario r el 0 16 0 24 198 136 efficacit changeur 0 81 0 85 0 95 0 efficacit conductivit laine de verre a100 aana aaa 250P 2 a 0 032 0 035 0 038 conductivit W m K transmission vitrage ext rieur 0 8 0 85 0 9 transmission paisseur de la dalle 0 0 12 0 14 0 16 0 18 paisseur m coefficient de convection int rieur vertical 300 2004 mt i Eon 100F poe 0 2 8 3 3 2 3 4 coefficient de convection W m2 K of Der eae version feld0768506 4 3 Cas 2 Incertitudes associ es aux temp ratures d air int rieur Temp rature C Temp rature
103. ance entre les diff rents r sultats quelques soient les outils utilis s pour le cas de la simulation 1 pour le besoin de chauffage Alors que pour la simulation 2 l utilisation de diff rentes m thodes d valuation des co efficients de convection s est traduite par une variation par rapport au cas de base allant jusqu 60 sur les besoins de chauffage pour le cas d EnergyPlus en valeur absolue cela correspond moins de 10kWh m La moyenne de besoin de chauffage du parc existant est d environ 200kWh m On peut en conclure que dans le cas des b timents tr s isol s des param tres prennent de l importance qu ils n avaient pas dans le cas de b timents nerg tivore Mieux comprendre la cause de ces carts et tenter de les r duire est important pour rendre la simulation op rationnelle au 3 NREL National Renewable Energy Laboratory 8 Ti Dee eiie 68506 version tel 007 1 3 La probl matique de la fiabilit des outils de simulation Comfie Pl iade e CoDyBa A TrnSys EnergyPlus SimSpark CoDyBa Trnsys s 23 x Comfie O pl iade 29h EnemyPIgs nioan Y gt 21 CoDyBa Simu 2 Temp rature C D gt 18 Seine MH Trnsys Simu 2 le Puissance de chauffage maximum Wim Vv EnergyPlus Simu gt 8 10 12 14 16 18 20 22 50107 11 07 12 07 13 07 Besoin de chauffage KWh m a Besoins de chauffage et puissance maxi b Temp rature d air int
104. ans la maison I DM pour le 12 f vrier 2011 60 Temp rature d air s che dans la maison I DM pour le 15 f vrier 2011 61 Temp rature d air s che dans la maison I DM pour le 25 mars 2011 62 Plage de temp rature pour le niveau du RDC de la maison I DM 64 M thodologie de la validation exp rimentale extrait de Mara 2000 EC eeen ea cette hee Be a ye kee a ee oe 69 EnergyPlus extrait du manuel d utilisateur d EnergyPlus 4 70 Maison exp rimentale de la plateforme INCAS vue Sud et Ouest 73 Le syst me nerg tique mod lis 2 a a 76 Temp rature d air pour la premi re configuration et phase d initiali sation avec une consigne du chauffage de 19 C 79 R sultat de la temp rature d air pour la deuxi me configuration et phase d initialisation en volution libre 79 Comparaison de r sultats de temp rature d air du RDC avec diff rentes valeurs de convergences 80 R sultat de simulation de la maison I DM temp rature d air RDC et tage et puissance de chauffage 82 Comparaison mesure simulation pour le rayonnement incident Est et Ouest pour le 17 et 18 f vrier 2011 2 44 su da ab bbe GS da 83 dm en fel 00768506 version 3 10 3 11 3 12 3 13 3 14 3 15 3 16 3 17 3 18 3 19 4 1 4 2 4 3 4 4 4 5 4 6 4 7 4 8 4 9 4 10 4 11 Comparaison entre la mesure et simulation pour la temp r
105. ar ordre d croissant selon leur valeur absolue d indice de sensibilit Le signe de l indice de sensibilit renseigne sur l effet du param tre sur la sortie Si l indice de sensibilit est positif le fait de perturber le param tre de AX 1 augmente la sortie du mod le Si l indice de sensibilit est n gatif le fait de perturber le param tre de AX 1 diminue la sortie du mod le chaque param tre tant repr sent par une couleur et un num ro de classement Pour diff rencier les groupes de param tres un code couleur a t mis en place Le code couleur est repr sent sur la figure 4 7 Les couleurs bleues repr sentent 105 oh Wag AE fel 00768506 version CHAPITRE 4 Simulations et tude des param tres influents des maisons INCAS Code couleur pour les param tres Coeficient de convection Infiltration Syst me energ tique Structure Fen tres RES Albedo et autres 1 r partition du d bit entre les zones efficacit de l changeur conductivit de la laine de verre paisseur de la laine de verre paisseur de la chape paisseur poutrelle entrevous du plancher interm diare transmission du vitrage ext rieur double chaleur sp cifique de la chape masse volumique de la chape infiltration conductivit de la chape paisseur de la dalle du plancher interm diaire r flection du vitrage int rieur double c t int rieur paisseur du carrelage
106. aram tres ayant une valeur de distance sup rieure a 0 5 ont t s lectionn s Les valeurs de l indice de sensibilit locale pour chaque pas de temps sont repr sent es sur les figures 4 24 et 4 25 P riode 1 Baisse puis augmentation de la temp rature de consigne Les figures 4 24a et 4 24b repr sentent respectivement les indices de sensibilit de la tem p rature d air pour le RDC et l tage pour la maison I DM du 5 au 25 f vrier 2011 qui varient en fonction du sc nario Entre les niveaux on remarque que les indices de sensibilit des param tres ont les m mes tendances Du 5 au 13 f vrier on a un scenario hors gel et du 14 au 25 f vrier c est un sc nario normal Lorsque la tem p rature d air est gale a la temp rature de consigne les indices de sensibilit sont nuls car la modification de la valeur d un param tre ne modifie pas la temp rature d air A partir du 21 f vrier l tude des indices de sensibilit locale n est donc plus exploitable Les indices de sensibilit de la r sistance lectrique et la transmission du vitrage ex t rieur double augmentent partir du 14 f vrier jour o la temp rature de consigne est augment e et les volets sont ouverts durant la journ e Pour l indice de sensibilit de la transmission du vitrage ext rieur double l augmentation de sa valeur d pend du rayonnement solaire S il y a du rayonnement solaire comme pour le 17 et 19 f vrier l indice de s
107. ateurs C est un environnement modulaire et tr s flexible qui inclut une interface graphique et une librairie de composants pour mod liser les syst mes nerg tiques appliqu s aux b timents Il int gre la possibilit de cr er ses propres composants et peut tre coupl d autres outils comme COMIS CONTAM EES Excel FLUENT GenOpt et Matlab De fonctionnalit analogue EnergyPlus il est int ressant par son aspect modulaire qui facilite le d veloppement de mod les sp cifiques Virtual Environment dit par IES Software Ltd est un logiciel d aide la d cision I permet de concevoir des b timents faible consommation nerg tique et aide orienter le projet vers des objectifs de confort d conomie de performance et de qualit environnementale Il peut tre utilis chaque tape de la conception C est un outil tr s abouti avec de nombreuses fonctionnalit s comme un module 10 PHPP Passive House Planning Package 11 LBNL Lawrence Berkeley National Laboratory 14 dm en fel 00768506 version 1 3 La probl matique de la fiabilit des outils de simulation CFD il permet de mod liser l vacuation du b timent permettant d am liorer la s curit P clairage naturel et artificiel Il est bien adapt aux besoins des bureaux d tudes ESP r est un outil d velopp la base par des chercheurs de l universit de Stra thclyde Glasgow Ecosse depuis 1974 et a t rendu
108. ations peuvent tre effectu es en parall le 5 Calcul des indices de sensibilit l aide de Matlab on extrait les r sultats pour chaque simulation et l aide de Simlab on calcule les indices de sensibilit 4 2 4 3 R sultats Les figures 4 19 4 20 et 4 21 montrent les r sultats des indices de sensibilit globale du premier ordre et total respectivement pour les maisons I DM I BB et RT 2005 pour le besoin de chauffage Les indices de sensibilit sont tri s par ordre d impor tance par rapport l indice total Pour les 13 param tres s lectionn s par maison ceux ayant les indices les plus lev s sont les param tres ayant le plus d influence dans leur plage de variation pour le besoin de chauffage Maison I DM figure 4 19 Les param tres ayant les indices les plus lev s sont l efficacit de l changeur et le d bit d infiltration On peut remarquer que l paisseur de la laine de verre a un indice du premier ordre sup rieur au param tre de la conductivit de la laine de verre Cela s explique par la valeur de l incertitude de l paisseur de la laine de verre qui est gale 10 elle est sup rieure l incertitude de la conductivit qui est de 5 Les indices de sensibilit totaux sont largement 121 Tee Ne fel 00768506 version CHAPITRE 4 Simulations et tude des param tres influents des maisons INCAS indice de sensibilit Correspondance des param tres ler orare
109. atre param tres sont pr pond rants dans 22 dm en fel 00768506 version 1 4 Etat de l art des m thodes d analyses de sensibilit l influence de la temp rature d air int rieur Par ailleurs ils ont d termin l incerti tude du confort thermique par rapport au r chauffement climatique et concluent que la ventilation naturelle dimensionn e pour des conditions m t orologiques normales ne permet pas de garantir des conditions de confort confortables pour des climats chauds Cette tude a permis une meilleure compr hension de la performance de la ventilation naturelle et d optimiser la conception du b timent Xavier Faure 2007 23 dans sa th se intitul e optimisation d enveloppe hybride pour b timent haute performance nerg tique a utilis les m thodes FAST pour l identification des pa ram tres les plus influents dans le cas d une simulation pour une enveloppe hybride La m thode Random Balance Design Fourier Amplitude Sensitivity Test RBD FAST Contrairement la m thode FAST tous les facteurs sont chantillon n s suivant la m me fr quence w Le spectre de Fourier est d termin pour la fr quence w et pour des hautes harmoniques w 2w Mw De ce spectre on peut alors d terminer les indices de sensibilit de tous ordres Cette m thode est moins co teuse en nombre de simulation que la m thode FAST Elle a t introduite pour la premi re fois par Tarantola et al 2006 60 et c
110. atur d air du RDO gt sss te ee oe we ee RES e a oe oS 134 Tableau des param tres et plage de variation pour la maison I DM pour l sc nario r el aie sax ARRAS PES bE EERE OS 138 Propri t s thermo physique des mat riaux de constructions des parois opaques des maisons I DM et I BB 154 Coefficient de transmission thermique des parois des maisons I DM et EBB SR a ee ee Oe bee ee eS Re 155 Propri t s de surface des parois opaques des maisons I DM et I BB 155 Propri t s des vitrages utilis s des maisons I DM I BB et RT 2005 156 Propri t s physique des fen tres double vitrage des maisons I DM FCBB et TA UNS sd bad rude a he den 156 Propri t s des fen tres triple vitrage des maisons I DM et LBB 157 Propri t s des gaz des fen tres double et triple vitrage des maisons EDM EBB ct RT 2005 24 ac rasoi giro Des rar dei var 157 XXI dm en fel 00768506 version 1 15 16 17 18 19 20 21 22 Propri t s des cadres des maisons I DM I BB et RT 2005 157 Propri t s des volets roulants des maisons I DM I BB et RT 2005 158 Dimension des ouvertures comprenant vitrage cadre des maisons I BDM EBB et RT 2005 sacs ea i aant ai E g e EE se a or Oe 158 Propri t s thermo physique des mat riaux de constructions des parois opaques de la maison RT 2005 4 2 40 4 aaa a 159 Coefficient de transmission thermique des parois de la maison RT 2005159 Les douze premi res li
111. ature d air du vide sanitaire et r sidu Comparaison entre la mesure et la simulation pour la temp rature d air des Commies q s ARR SANS ARMES aS Oe a a Comparaison entre la mesure et la simulation pour la puissance jour nali re de chauffage pour la maison LDM Comparaison entre la simulation et la mesure pour la moyenne et la variance journali re des temp ratures d air du RDC et de l tage pour la maison I DM a eee Se ss sr hu te ER SO A ad Se Comparaison entre la simulation et une plage d incertitude de la me sure de la temp rature d air du RDC et de l tage r sidu du RDC et de l tage et conditions m t orologiques pour la maison I DM du 11 au 17 f vrier AD LES a ek is ei era we ew ee Se Comparaison entre la simulation et une plage d incertitude de la me sure de la temp rature d air du RDC et de l tage r sidu du RDC et de l tage et conditions m t orologiques pour la maison I DM du 23 au 2g evriee QUELS LS SNA OS DD Res Comparaison entre la simulation et une plage d incertitude de la me sure de la temp rature d air du RDC et de l tage r sidu du RDC et de l tage et conditions m t orologiques pour la maison I DM du 23 au 20 mats 20e EN RSR ER EB eee te Comparaison entre la mesure et la simulation pour la temp rature d air souffl e au RDC de la maison I DM Comparaison entre la simulation et la mesure pour la moyenne et la variance jo
112. aux conditions m t orologiques Mots cl s incertitude fiabilit simulation dynamique b timents basse consommation analyses de sensibilit param tres influents dm en fe1 00768506 version d Abstract Nowadays simulation tools are widely used to design buildings since their energy performance is increasing Simulation is used to predict building energy performance and to improve thermal comfort of occupants but also to reduce the environmental impact of the building over its whole life cycle and the cost of construction and operation Simulation becomes an essential decision support tool but its reliability should not be ignored Hypothesis made 10 years ago for buildings conception are often not adapted to the new constructions because of physical phenomena which until now were overlooked At the same time guarantees of energy efficiency which aims to check if actual energy performances are matching the conception goals are becoming important But there are usually differences between measured and simulation data They may be the result of mistakes and unknowns on input parameters on schedule occupation or on weather data Today it s important to evaluate simulation and measurement reliability and uncertainties to improve design building This PhD work aimed to evaluate and order simulation results uncertainties during the design building process A methodology in three steps was developed to determine influential param
113. bit d infiltration n avait pas t consid r dans la premi re tude Dans cette seconde tude le r sultat de l indice de sensibilit total du d bit d infiltration est d environ 0 1 comme de nombreux autres param tres Ces r sultats ne remettent pas en question les r sultats de l analyse sensibilit locale mais confirment que de nombreux param tres sont responsables de la faible part d incertitude sur le besoin de chauffage 4 2 5 Conclusion Les analyses de sensibilit locale ont permis de s lectionner les param tres les plus influents pour les trois b timents tudi s les maisons I DM I BB et RT 2005 dans le cas du besoin de chauffage et du confort d t Pour les maisons I DM et I BB les indices de sensibilit r duits ont montr des similitudes pour les deux sorties tudi es et les param tres les plus influents par sortie sont les m mes entre les deux maisons Le param tre le plus influent pour le besoin est l efficacit de l changeur de la ven tilation double flux et pour le confort d t c est l paisseur de la chape Dans le cas de la maison RT2005 les param tres les plus influents sont pour le besoin de chauf fage le d bit de ventilation et pour le confort d t l absorptivit de l enduit ext rieur L analyse de sensibilit locale a permis de s lectionner 13 param tres influents par maison sur le r sultat du besoin de chauffage Une plage d incertitude a t d fin
114. ce lectrique 0 84 0 62 0 62 0 73 0 75 0 68 0 64 0 64 0 57 0 72 0 72 0 69 0 75 0 80 0 80 0 87 efficacite de l changeur 0 93 0 93 0 96 0 82 0 96 0 22 0 22 0 15 0 30 0 30 0 27 0 32 0 40 0 40 0 92 conductivit de la laine de verre 0 98 0 69 0 13 0 13 0 19 0 05 0 05 0 08 0 02 0 06 0 06 0 86 paisseur de la laine de verre 0 98 0 13 0 13 0 19 0 05 0 05 0 08 0 03 0 06 0 06 0 86 gains internes RDC transmission du vitrage exterieur double infiltration masse volumique de la dalle des planchers chaleur specifique de la dalle des planchers paisseur dalle 16cm chaleur sp cifique de la chape masse volumique de la chape paisseur de la chape paisseur parpaing masse volumique parpaing chaleur sp cifique parpaing coefficient de convection int rieure vertical Figure 4 26 Valeur des degr s de correlation entre les param tres 133 DAME SN fel 00768506 version CHAPITRE 4 Simulations et tude des param tres influents des maisons INCAS 3 conduction dans l isolant ee a 5 transmission du vitrage ext transmission du vitrage ext rieur 6 d bit d infiltration d bit d infiltration inertie de la dalle des planchers masse volumique de la dalle des chaleur sp cifique de la dalle de
115. ception faite le 19 f vrier la puissance mesur e est inf rieure la puissance simul e A partir du 10 mars la temp rature d air pr dite et mesu r e dans les maisons est sup rieure la consigne voir figure 3 13 n anmoins la r sistance de chauffage fonctionne dans la maison Les carts entre la mesure et la simulation pour la puissance de chauffage sont principalement dus l incertitude sur la temp rature de consigne Dans la si mulation la puissance de chauffage s arr te ou diminue d s que la temp rature de consigne gale 20 C est atteinte Dans la maison I DM la d finition de la temp rature de consigne est d finie par un potentiom tre peu pr cis voir chapitre 2 2 Les temp ratures d air Pour effectuer la comparaison avec l exp rimenta tion pour le cas de la temp rature d air c est le capteur repr sentatif de chaque 86 NE ie fel 00768506 version 3 4 Confrontation entre mod le et exp rimentation ND N oo mesure 2 OE 7 12p ee ei oe a Simulation 28 02 09 03 18 03 27 03 01 02 10 02 19 02 Temp rature C a Temp rature C 01 02 10 02 19 02 28 02 09 03 18 03 27 03 a Moyenne temp rature d air RDC b Moyenne temp rature d air Etage foi io oi oi i 1 1 i ot I mesure 3 57 imulation Temp rature C N Temp rature C N 0 TOAN F 4 x re 0 M A A 4 01 02 10 02 19 02 2
116. ces inject es Les explications des gradients de temp rature sont en partie dues au r seau a raulique en raison du manque d tanch it du syst me et de la mauvaise r partition du d bit 64 Ti Deter we fel 00768506 version 2 3 Conclusion Ce chapitre a permis d identifier une plage d incertitude de mesure pour chaque niveau des maisons Ces plages d incertitudes vont permettre de comparer l exp ri mentation et la simulation C est l objet du chapitre suivant qui s int ressera la pr sentation de l outil de simulation choisi et d crira les r sultats de la validation du mod le 65 Th eter ws 68506 version te l 007 CHAPITRE 3 La validation des mod les num riques des maisons INCAS Dans ce chapitre on s int ressera la validation des mod les thermiques Les valida tions dont EnergyPlus a fait l objet outil choisi dans ces travaux seront pr sent s Dans notre cas nous nous sommes int ress s valider les mod les des maisons I DM et I BB de la plateforme INCAS Pour permettre une comparaison entre l exp ri mentation et la mod lisation tout en tenant compte des incertitudes les hypoth ses de mod lisation ont t pr sent es et un fichier m t o du site a t cr 67 aP Mac eiie tel 00768506 version 1 CHAPITRE 3 La validation des mod les num riques des maisons INCAS Le chapitre 1 a mis en avant la simulation thermique dynamique qui a une impor
117. cit de l changeur les gains internes du RDC la conductivit de la laine de verre Tous les indices de sensibilit de ces param tres ont une amplitude jour nuit Durant une journ e la temp rature d air est son minimum en fin de nuit et son maximum en milieu de journ e on observe la m me tendance pour les indices de sensibilit des param tres de l paisseur et la conductivit de la laine de verre et les gains internes du RDC Pour les param tres du d bit d infiltration et de l efficacit de l changeur les indices de sensibilit de ces param tres ont un comportement inverse la temp rature d air et quand la temp rature d air journali re est son maximum les indices de sensibilit de ces deux param tres sont leur valeur minimale Durant cette p riode le temps est ensoleill et la temp rature d air int rieure varie quotidiennement avec des amplitudes de temp rature d environ 0 5 C voir figure 4 23a les indices de sensibilit tant directement influenc s par ces variations P riode de remont e en temp rature A partir du 14 f vrier la consigne de chauffage est augment e la r sistance lectrique se met en route et son indice de sensibilit augmente jusqu au 21 f vrier jour o la consigne est atteinte Sur la fi gure 4 31 on observe que la somme des indices de sensibilit du premier ordre est gale une valeur constante d environ 0 95 du 5 au 21 f vrier Apr s
118. coustique dans les constructions a base de bois PhD thesis Universit de Savoie 2009 G S Brager and R J de Dear Thermal adaptation in the built environment a literature review Energy and Buildings 27 83 96 1998 H Breesch and A Janssens Performance evaluation of passive cooling in office buildings based on uncertainty and sensitivity analysis Solar energy 84 1453 1467 2010 A Brun Am lioration du confort d t dans des b timents ossature par venti lation de l enveloppe et stockage thermique PhD thesis Universit de Grenoble 2011 A Brun C Spitz E Wurtz and L Mora Behavioural comparison of some predictive tools used in a low energy building In Eleventh International IBPSA Conference 2009 Ida Bryn and Per Arne Schiefloe Atrium models for the analysis of thermal comfort and energy use A report of task 12 building energy analysis and design tools for solar applications Technical report IEA 1996 S Burhenne D Jacob and G P Henze Uncertainty analysis in building simula tion with monte carlo techniques In SimBuild 2010 Fourth National Conference of IBPSA USA New York City New York 2010 L Chahwane Valorisation de l inertie thermique pour la performance nerg tique des batiments PhD thesis Universit de Grenoble 2011 165 dm en fel 00768506 version 13 14 15 16 18 19 20 21 22 23 24 u 26 27 2
119. d air de la maison I DM A l aide des diff rents points de mesure on a pu identifier diff rentes sources d incertitudes sur les champs de temp rature sur les sollicitations ext rieures et sur la distribu tion a raulique On constate une disparit atteignant 20 entre des appareils cens s mesurer la m me grandeur Une comparaison tenant compte des incertitudes entre l exp rimentation et la pr vision a pu tre r alis e mais les r sultats ont montr que le mod le num rique ne repr sentait pas correctement l exp rimentation ces carts pouvant provenir du mod le num rique Les r sultats pr sent s ici sont issus du cas particulier des maisons INCAS et la m thodologie peut tre appliqu e tous types de b timent pour conna tre l influence de ses param tres Cette m thodologie pourra tre utilis e durant tout le processus de conception d un b timent des premi res esquisses son exploitation En phase de conception cette m thodologie permettra d orienter les choix architecturaux en vitant des options dont les r sultats sont caus s par l incertitude de simulation et par cons quent peu fiables En phase d exploitation l analyse de sensibilit locale permettra d identifier les points de mesure les plus pertinents afin de r duire l incertitude des param tres les plus influents pour effectuer un diagnostic nerg tique plus fiable du b timent Pour permettre au plus grand nombre l utilisat
120. de Le r pertoire des outils labor par le Minist re de l nergie des Etats Unis est l pour l attester 398 outils li s l valuation de l efficacit nerg tique aux nergies renouvelables ou au d veloppement durable des b timents y sont recens s Les principaux objectifs de ces outils sont de proposer et justifier une disposition architecturale un type de mat riau ou une strat gie de ventilation optimisant le confort et diminuant les consommations d nergie Ces outils peuvent prendre des formes diverses bases de donn es feuilles de cal cul outils d analyse de composants ou de syst mes et logiciels de simulation des performances nerg tique de b timents dans leur ensemble Dans cette partie il ne s agit pas d tre exhaustif dans la pr sentation des diff rents codes de simulation le lecteur pouvant se reporter la pr sentation de chaque outil mais de diff rencier les objectifs et les niveaux de pr cision de chacun de ces outils dont la pertinence d pend de l usage et du besoin de l utilisateur L utilisation d un outil dont le syst me nerg tique pourrait tre mod lis tr s finement ne sera pas adapt pour une phase d avant projet qui consiste obtenir une tendance de la performance nerg tique Par contre dans le cas de la v rification de fonctionnement d un syst me nerg tique qui fait l objet d une instrumentation pouss e un outil comme le langage Mode lica est ada
121. de nombreux param tres l indice du premier ordre est gal l indice total sauf pour 138 dm en fel 00768506 version 4 3 Cas 2 Incertitudes associ es aux temp ratures d air int rieur les param tres de l paisseur de la laine de verre et le d bit d infiltration Pour ces param tres les indices totaux sont sup rieurs aux indices du premier ordre et ces param tres ont donc des interactions avec d autres param tres La suite de l analyse s est int ress e a l tude des indices du premier ordre de la temp rature d air du RDC et de l tage La figure 4 31 repr sente les indices du premier ordre pour la temp rature d air du RDC et de l tage du 5 au 24 f vrier Les param tres n ont pas t tri s par ordre d importance Sur la figure 4 31 les param tres ayant leurs indices de sensibilit lev s un temps donn sont facilement identifiables De plus comme pour l analyse de sensibilit locale les indices de sensibilit du premier ordre ont les m mes tendances entre le RDC et l tage Le changement de sc nario qui a lieu le 14 f vrier implique une modification de la tendance des valeurs des indices de sensibilit et on va tudier les deux p riodes P riode de baisse de la temp rature Du 5 au 14 f vrier les param tres les plus influents de la temp rature d air pour le RDC et l tage sont le d bit d infiltration l paisseur de la laine de verre leffica
122. de la dalle du plancher la r flexion du sol albedo Pour le confort d t les param tres les plus influents sont ceux relatifs l inertie du b timent pour le cas des maisons I DM et I BB Tout comme pour le besoin de chauffage il y a tres peu de diff rence entre les param tres influents de ces deux b timents Pour la maison RT 2005 les param tres influents pour le confort d t sont tr s diff rents par rapport aux maisons I DM et I BB Pour le confort d t les param tres les plus influents sont l absorptivit de l enduit ext rieur les coefficients de convection la transmission du vitrage ext rieur le d bit de ventilation et les param tres relatifs l inertie qui sont la masse volumique et la chaleur sp cifique des planchers L analyse de sensibilit locale a permis de d terminer les param tres les plus influents pour le cas des trois maisons I DM I BB et RT 2005 qui diff rent entre leurs modes constructifs et leurs performances nerg tiques Entre les deux sorties tudi es le besoin de chauffage et le confort d t les param tres influents par maison sont dif f rents Pour le cas des maisons I DM et I BB dont les performances nerg tiques 111 aP Mac eiie tel 00768506 version 1 CHAPITRE 4 Simulations et tude des param tres influents des maisons INCAS sont proches malgr des modes constructifs diff rents les param tres influents sont identiques et font partie des
123. de r pondre maintenant Les mod les des maisons I DM et I BB seront nouveau utilis s dans le prochain chapitre qui pr sentera une m thodologie permettant d identifier les param tres in fluents et d identifier une plage d incertitude des r sultats de simulation 95 DAME IN 68406 version tel 007 CHAPITRE 4 Simulations et tude des param tres influents des maisons INCAS Ce chapitre pr sente la m thodologie qui a t mise en place pour valuer les in certitudes associ es aux pr visions Elle sera appliqu e au besoin de chauffage pour trois b timents ainsi qu la temp rature d air de la maison I DM Trois m thodes d analyses de sensibilit seront appliqu es l analyse de sensibilit locale l analyse d incertitude et l analyse de sensibilit globale 97 dm en fel 00768506 version CHAPITRE 4 Simulations et tude des param tres influents des maisons INCAS 4 1 D marche d valuation des incertitudes Aujourd hui l utilisation de la simulation num rique des b timents permet d ob tenir une pr diction de la consommation nerg tique Ces simulations num riques mettent en jeu un grand nombre de param tres sujets de nombreuses incertitudes comme vu dans le chapitre pr c dent Ces incertitudes peuvent tre dues soit une mauvaise connaissance du param tre d entr e soit une mauvaise prise en compte du ph nom ne physique Or ces incertitudes peuvent
124. des des maisons exp rimentales 149 A MaE AN pS MO UL tel 00768506 Annexe B Plan de la maison double mur 4 o 750 4 35 375 po INES 1 4 909 n P y 720 s COUPE DE PRINCIPE f 166 166 166 166 t 4 4 aa ete 1 50 PLANS Du 23 02 23 PENTE 50 TUILE ALPHA 10 CLORIS ARDOISE al CHEVETRE POUR FUTUR CF res passerelle Largeur 90cm 3 madriers 5 300m bois de soutient 5 10 cm a i hi panne sabliere 24 14 A Faux plafond dalle 60 60 w 1 PANNE LAMELLEE COLLEE 14 28cn pour soll vage S i 8 Bo e e m 2 By a balcon SR n a ETAGE NIV 293 o PaE poreolbe g Y m amp 3 a S a ft Lafond dalle SU 8 Le re Pas Paversee pve 260mm e panneaux solaites thermiques i dans faux plafond Hi aller vers cellier a 3 4 REZ NIV 000 res Soe ee re Rene i amp plancher chauffant dans le hout Ruit CInENT th e de ta dalle brute 8 ECUR RoN x ca a nr a T A ENQUT CinexT Goudrow 160 et Figure 33 Coupe de principe de la maison I DM 150 Dec2di 2 Version tel 00768506 850 155 130 285 200 80 570 is tos ALLA1GVR WC NON ALIMENTE 1 I J NON RACCORDE i Denis CS eer oe sn CET EL 7 363 TE s V40 a PL i L
125. des maisons puis nous verrons l instrumentation mise en place sur le site de la plate forme INCAS ainsi que leurs incertitudes de mesure Enfin dans une troisi me partie nous analyserons les r sultats de mesure et nous d terminerons une plage d incertitude pour la temp rature d air mesur e des maisons par niveau 31 DRE NE fel 00768506 version CHAPITRE 2 La probl matique des incertitudes en regard d une plateforme d exp rimentation 2 1 Cadre d tude les maisons INCAS 2 1 1 La plate forme INCAS act Figure 2 1 La plate forme INCAS La plate forme INCAS figure 2 1 est un site destin la construction de b timents exp rimentaux d di s la recherche sur l efficacit nerg tique du b timent Ce site est situ dans l enceinte de l Institut National de l nergie Solaire INES sur la technopole de Savoie Technolac au Bourget du Lac en Savoie Elle est actuellement constitu e de trois constructions faible consommation nerg tique de 10 bancs ex p rimentaux d int gration de toiture photovolta que et de quatre cellules PASSYS dont deux cellules orientables La figure 2 2 repr sente les trois b timents actuellement construits deux forte inertie une Double Mur I DM une en B ton Banch I BB et une Ossature Bois I OB Les maisons exp rimentales sont bas es sur une g om trie tr s proche simple et compacte Les b timents ont t construits dans le cadre du p
126. dis s des param tres et a ensuite propag l incertitude des param tres les plus influents pour d terminer une bande d incertitude pour les pics de consommations de froid H Breesch et al 2010 7 effectuent une tude pour pr dire l efficacit de la ventilation naturelle d un b timent tout en tenant compte de l incertitude sur les entr es en utilisant la m thode de Monte Carlo pour effectuer leur analyse de sensibilit globale Ils ont d termin les coefficients de r gression standardis s SRC en appliquant les tapes suivantes s lection des param tres avec leur incertitude et leur distribution g n ration de l chantillonnage valuation du mod le pour chaque l ment de l chantillonnage analyse d incertitude analyse de sensibilit La technique d chantillonnage Latin Hypercube Sampling LHS a t choisie en utilisant l outil TRNFLOW 62 Sur les 70 param tres consid r s les plus influents sur le confort thermique sont les gains internes le coefficient d absorption des protections solaires le coefficient de convection int rieur les propri t s thermo physique des mat riaux poss dant une masse thermique la consigne de la temp rature contr lant la ventilation naturelle le coefficient de d charge Cy le coefficient de pression du vent C P de Wilde et al 2010 17 pr disent la performance d un b timent en prenant en compt
127. drud 20 cm B ton banch 15 cm Pl tre 1 cm Plancher Bas Carrelage 1 cm Chape 8cm Dalle 16cm Polystyr ne extrud 20 cm Double vitrage Sauf au Nord triple vitrage Sanitaire Figure 2 7 Principaux mat riaux utilis s dans l enveloppe de la maison exp ri mentale I BB 2 1 2 3 Traitements des points singuliers Des efforts ont t faits en ce qui concerne l tanch it l air et le traitement des ponts thermiques Pour viter les pertes par infiltration au niveau des dormants des fen tres du silicone a t utilis pour obturer les extr mit s et une attention parti culi re a t apport e au passage de c bles pour ne pas percer les parois verticales Pour les ponts thermiques des rupteurs de ponts thermiques ont t utilis s la liaison toiture murs pignons ainsi qu au niveau des coffres de volets roulants Si les traitements des ponts thermiques sont respect s correctement il y a peu d incerti tudes sur la conception dues aux ponts thermiques 36 dm en fel 00768506 version 2 1 Cadre d tude les maisons INCAS 2 1 2 4 Renouvellement d air et syst mes nerg tiques Ventilation double flux Les maisons sont quip es de ventilation double flux Duolix Max Au niveau de la centrale il y a deux ventilateurs l un pour le circuit d air neuf et l autre pour le circuit d air vici Une batterie lectrique est pr sente pour le chauffage et l changeur
128. e Du 14 au 20 f vrier les r sistances sont au maximum de leur puissance Les me sures sont diff rentes entre elles Pour la I DM la mesure est de 1 15kW et pour la I BB de 1 2kW soit un cart d environ 4 Cet cart peut s expliquer soit par les incertitudes de mesure soit par la diff rence entre les r sistances fabrication et nous n avons pas encore t capables de conclure sur ce point La puissance de chauffage de la I BB est sup rieure la I DM du 26 f vrier au 1 mars Pour obtenir une temp rature d environ 20 C homog ne entre les maisons la temp rature de consigne de la I BB a t augment e le 26 f vrier Cette modification de la temp rature de consigne a augment la demande de puissance du 26 f vrier au 1 mars pour la I BB La difficult de r glage de la temp rature de consigne entre les deux maisons engendre une incertitude sur la comparaison des r sultats des besoins de chauffage entre les maisons Rayonnement solaire Sur les figures 2 15 et 2 16 on peut observer des augmen tations de temp rature journali re De nombreux param tres ont de l influence sur la temp rature d air mais le principal param tre influent est le rayonnement direct Pour essayer de quantifier l augmentation de la temp rature journali re en fonction du rayonnement on s int resse la figure 2 18 repr sentant l amplitude de temp rature du RDC par maison ainsi que le rayonnement direct journalier
129. e ters on building energy performance and to identify the influence of these parameters uncertainty on the building performance The first step uses the local sensitivity analysis and identifies the most influential parameters on the outputs among all parameters This step enables to reduce the number of parameters which is necessary to proceed the following steps The second step is an uncertainty analysis focuses on quantifying uncertainty in model outputs This step is conducted with the Monte Carlo probabilistic approach The last step uses global sensitivity analysis which is the study of how uncertainty in the output of a model can be apportioned to different sources of uncertainty in the model input This methodology was applied to the INCAS experimental plat form of the French National Institute of Solar Energy INES in Le Bourget du Lac to identify measure uncertainties and uncertainties on simulation hypothesis This methodology may be used during the whole building design process from the first sketches to the operating phase It will enable to guide the architectural and technical choices and to avoid unstable options with important uncertainty During the exploitation stage this methodology will allow to identify the most suitable measurement in order to reduce parameters uncertainties and consequently to get the energy diagnostic more reliable Moreover this methodology could also be used to determine uncertainties on related to occupancy a
130. e a t effectu Les mesures effectu es sur les 12 premiers mois d exploitation 8 de mesures 4 extrapol s et ramen s 4 un taux d occupation de 100 donnent un ratio de 96 kWhEP m an La figure 1 2 tablit la comparaison entre les phases d tudes et l occupation pour le cas de la tour Elithis On constate des carts importants entre les pr visions et les mesures dans le cas de la consommation de chauffage de ventilation et de bureautique Cet exemple illustre toute la difficult de pr vision des consommations r elles partir de consommations issues de sc narios conventionnels car il est difficile de fixer une valeur de consommation nerg tique compte tenu des al as possibles durant les diff rentes phases du cycle de vie b timent Trois phases se distinguent pour obtenir les r sultats de la figure 1 2 la phase de conception la phase de mise en oeuvre la phase d exploitation Phase de conception durant cette phase des simulations sont effectu es pour d terminer une consommation nerg tique On essaie de pr voir l occupation du b timent qui est une donn e incertaine tout comme le comportement de ses occupants Dans le secteur du logement selon qu une personne est seule en couple avec enfants ou retrait s le taux d occupation de l appartement sera diff rent avec une r percus sion sur les consommations nerg tiques De plus le profil propri taire ou locataire pourra varier t
131. e annonc e par le distributeur pour une Pt 100 de classe A est de 0 35 C Les temp ratures radiatives sont mesur es l aide d un globe noir plac autour de la sonde de temp rature afin de capter l ensemble du rayonnement mis par les l ments environnants pour chaque niveau 1 10 m du sol Les temp ratures de surface de mat riaux opaques sont mesur es l aide de thermocouples de type T et K Pour fixer le capteur aux parois un ruban adh sif ayant une missivit proche de celle du mat riau est utilis Il y a un capteur sur chaque orientation de paroi pour chaque niveau l int rieur et l ext rieur Dans chaque pi ce il y a un capteur qui mesure la temp rature du plancher Les incerti tudes de mesure annonc es par le distributeur sont pour le Thermocouple T classe 1 de 0 50 C et pour le Thermocouple K classe 1 de 1 5 C La fiabilit de ces mesures est remettre en doute car il faut tre certain de pouvoir s affranchir du rayonnement solaire Les temp ratures de surface des vitrages sont mesur es l aide de thermo couples de type T et K Pour fixer le capteur une colle translucide r sistant aux UV et aux variations de temp rature est utilis e Chaque vitrage a deux capteurs plac s 41 AN e fel 00768506 version CHAPITRE 2 La probl matique des incertitudes en regard d une plateforme d exp rimentation Figure 2 12 Mat dans la maison I DM l tage s
132. e comparaison exp rimentation num rique sera possible L exp rimentation mise en place dans les maisons INCAS va tre main tenant pr sent e ainsi que toute la probl matique li e la m trologie 2 1 3 2 M trologie dans les maisons La plateforme d exp rimentation est quip e de 250 capteurs permettent de suivre l volution temporelle des temp ratures d air temp ratures de surface temp ratures radiatives vitesse d air humidit et consommations lectriques La maison I DM a un niveau d instrumentation plus lev avec des capteurs permettant de mesurer les d bits d air dans les gaines de ventilation les temp ratures d air l entr e et la sortie de l changeur et les temp ratures dans les mat riaux pour les fa ades Sud Ouest Nord et Est Les temp ratures d air sont mesur es avec des sondes de platine de type Pt100 Les capteurs sont prot g s de l influence du rayonnement par un bouclier m tallique cylindrique peint en blanc l ext rieur et ayant un diam tre suffisant pour ne pas r duire les mouvements de convection d air autour de la sonde Les temp ratures d air sont mesur es dans chacune des pi ces au centre du volume une hauteur de 1 10m Pour chaque niveau RDC et tage on mesure la temp rature 3 hauteurs diff rentes 0 10m du sol hauteur des chevilles 1 10m hauteur des hanches et 1 70m du sol hauteur de la t te L incertitude de mesur
133. e composant de 3 hauteurs diff rentes 0 10m 1 10m et 1 70m du sol avec la temp rature d air et la vitesse d air ainsi que la temp rature de rayonnement 1 10m du sol au centre c t int rieur et c t ext rieur et au total 24 capteurs sont plac s sur les vitrages Comme pour la mesure des temp ratures de surface de mat riaux opaques la fiabilit de ces mesures est remettre en doute car il faut tre certain de pouvoir s affranchir du rayonnement solaire Les vitesses d air sont mesur es l aide d an mom tres fil chaud Pour chaque niveau cette mesure est r alis e 3 hauteurs diff rentes comme pour les temp ra tures d air 0 10m du sol hauteur des chevilles 1 10m hauteur des hanches et le dernier 1 70m du sol hauteur de la t te Les 3 hauteurs permettront d identifier diff rents mouvements d air dans la pi ce L incertitude de mesure annonc e par le distributeur est de 0 05 m s pour une vitesse d air de 1 00m s Ces an mom tres ne sont pas assez pr cis pour mesurer les mouvements d air convectifs ventuels dans une pi ce ils sont plus adapt s la mesure de vitesses d air lev es l occasion de louverture d une fen tre Les d bits d air dans le r seau de ventilation sont mesur es l aide de d bit m tres Ultrason Le principe de mesure repose sur le temps de parcours d une onde mise et r fl chie dans un fluide en mouvement Pour effectuer
134. e deuxi me cas l tude a port sur la temp rature d air de la maison I DM 4 2 Cas 1 Incertitude sur les besoins en chauf fage et le confort dans trois b timents Dans cette partie on s est int ress chercher les param tres influents sur le besoin de chauffage et le confort d t pour trois b timents Nous avons consid r trois mai sons ayant la m me g om trie que les maisons INCAS mais des modes constructifs diff rents Les maisons sont la maison INCAS DM la maison INCAS BB une maison RT 2005 c est une maison ayant la m me g om trie que les maisons INCAS mais avec un mode constructif respectant la RT 2005 Le but est de comparer les param tres influents pour deux b timents faible consom mation mais ayant des principes constructifs diff rents la maison I DM et I BB ainsi que pour le cas d un b timent respectant la RT2005 pour identifier si avec l aug mentation de la performance nerg tique des b timents certains param tres sont devenus pr pond rants dans le cas du besoin de chauffage et du confort d t L effet des charges internes sur les sorties du mod le num rique n a pas t pris en compte dans cette partie d tude Nous avons consid r un sc nario d occupation et de d gagement de chaleur quivalent 4 une famille de 4 personnes conome en nergie La th se de J Page 51 2007 a t consacr e au sujet de la simulation du comportement
135. e en place et permet de conna tre le signe de l effet du param tre sur la sortie du mod le C est la m thode de perturbation d un param tre la fois qui a t utilis e et la valeur de la perturbation est gale 1 de la valeur nominale du param tre 2 L analyse d incertitude consiste valuer les incertitudes associ es aux pa ram tres les plus influents afin de propager cette incertitude dans le code de calcul et valuer l incertitude sur le r sultat Cette tape est effectu e au moyen de l approche probabiliste de Monte Carlo avec laquelle 2000 simulations sont effectu es pour obtenir un r sultat fiable 3 L analyse de sensibilit globale consiste valuer la responsabilit de chacun des param tres sur les incertitudes associ es au r sultat La m thode FAST puis SOBOL a t utilis e Ces deux m thodes se basent sur l tude de la variance consistant d terminer quelle part de la variance de la r ponse est due la variation de chaque param tre La m thode FAST est plus pr cise que celle de SOBOL 42 mais elle n a pu tre utilis e dans les deux cas d tudes en raison de probl mes num riques 98 DAME Ne fel 00768506 version d 4 2 Cas 1 Incertitude sur les besoins en chauffage et le confort dans trois b timents Dans le premier cas d tude on s est int ress trois b timents et aux sorties nu m riques du besoin de chauffage et du confort d t et dans l
136. e est faible plus le temps de simulation sera long La valeur de la convergence a une influence sur le nombre de jours n cessaire l ini 80 aP Mac eiie tel 00768506 version 1 3 4 Confrontation entre mod le et exp rimentation tialisation Dans le cas pr sent la convergence a un impact sur le temps coul pour que les r sultats de l ann e 1 recollent avec les r sultats de l ann e 2 Une conver gence 0 001 semble un bon compromis entre pr cision et temps de calcul En effet la figure 3 7 montre que les temp ratures sont similaires avec une convergence 100 Une valeur de convergence trop faible augmentera le temps de calcul d environ 10 sans pour autant am liorer significativement la pr cision Si la simulation commence un jour d hiver o la temp rature d air est r gul e l aide d un syst me nerg tique aucune attention particuli re ne devra tre port e la p riode d initialisation par contre si celle ci commence un jour d t la temp rature d air est en volution libre et les r sultats du premier mois de simulation ne devront pas tre consid r s pour s affranchir de l tat initial Une convergence gale 0 001 suffit pour obtenir des r sultats fiables 3 4 2 Premiers r sultats de simulation La simulation commence le 28 janvier et finit le 31 mars avec une temp rature de consigne dans les maisons fix e 20 C On estime que le temps d initialisation effec
137. e forme INCAS 2 64 4 4 mia dada 444 da ma de 4 32 Les trois maisons INCAS His es us e se he EYE we etes 33 Plan du RDC et de l tage de la maison exp rimentale I DM 34 Liaison plancher bas mur ext rieur de la maison IDM 39 Principaux mat riaux utilis s dans l enveloppe de la maison exp ri mentale I DM 4 LL due Less fade OH ee EEE Heres 35 Liaison plancher bas mur ext rieur de la maison I BB 36 Principaux mat riaux utilis s dans l enveloppe de la maison exp ri Mentale EBB 24 Oda ee ee clk SE aS See ba ees Bee BS 36 Site ZINES et positionnement des stations m t o photo richard balloide ROUE G78 EE Ds a e E ee ee es Se i 38 Les stations m t o WINES 4 a4 6 4 ga gs Sew YP eR ue 38 Mesure du rayonnement global pour le 11 et 12 mars 2011 PINES 39 Rayonnement diffus mesur et calcul l aide des deux pyranometres disponible sur le site pour le 5 et 6 mars 2011 40 XV dm en fel 00768506 version 2 12 2 13 2 14 2 15 2 16 2 17 2 18 2 19 2 20 2 21 2 22 2 23 2 24 2 25 2 26 2 21 2 28 2 29 2 30 2 31 3 1 3 2 3 3 3 4 3 9 3 6 3 7 3 8 3 9 Mat dans la maison I DM l tage se composant de 3 hauteurs dif f rentes 0 10m 1 10m et 1 70m du sol avec la temp rature d air et la vitesse d air ainsi que la temp rature de rayonnement 1 10m du sol 42 Sc nario du mois de f vrier et de mars 2011 des maisons I DM et I B
138. e le r chauffement climatique avec l analyse de Monte Carlo Pour les si mulations ils ont choisi Poutil EnergyPlus 16 en consid rant trois indicateurs V mission de gaz effet de serre le risque de surchauffe et la performance du b ti Pour le fichier d entr e de l analyse de sensibilit ils ont utilis Simlab pour la g n ration des chantillonnages et Excel VBA pour cr er les fichiers Les r sultats d analyse de sensibilit indiquent que les gains internes dus aux quipements et aux luminaires sont les parametres les plus influents sur l incertitude des missions de gaz a effet de serre Une utilisation optimale de la lumi re naturelle r duit les risques de surchauffe Pour effectuer une analyse de sensibilit sur le risque de surchauffe du batiment la division par zone thermique est importante pour obtenir des bons r sultats tandis que lors de l tude des missions de gaz effet de serre une zone ther mique est suffisante L utilisation de la m thode de Monte Carlo pour les analyses de sensibilit a souvent t employ e ces derni res ann es car elle permet d effectuer avec le m me nombre de simulation l analyse de sensibilit et analyse d incertitude 25 dm en fe1 00768506 version d CHAPITRE 1 Le monde incertain de la simulation du b timent Les m thodes d analyse de sensibilit globale sont nombreuses La principale diff renciation entre ces m thodes est le temps de simu
139. e milieu des murs L augmentation du volume chauff et la diminution de la sur face de d perdition ne sont pas consid r es comme des param tres importants et sont n glig es dans la suite de l tude Une autre hypoth se consid rer concerne la surface de r f rence consid rer La performance nerg tique d un b timent est g n ralement rapport e la surface comme par exemple le besoin de chauffage dont l unit utilis est W m an Pour le label PassivHaus c est la surface ext rieure qui est consid r e elle est gale 127 5m dans le cas de la maison I DM or dans la r glementation thermique 2005 c est la SHON qui est utilis e gale 97 5m pour la I DM il y a plus de 20 d cart entre les deux surfaces La diff rence de r sultat sur le besoin de chauffage entre le choix de la surface de r f rence est source donc d incertitude sur le r sultat dans notre cas on consid rera la SHON qui est gale 97 5m Masques Le balcon l avancement de la toiture ainsi que le retrait des fen tres visibles sur la figure 3 3 ont t consid r s La taille du balcon a t consid r e sans l paisseur de la dalle du plancher interm diaire non prise en compte dans la mod lisation Un balcon opaque a t consid r pour les deux maisons I DM et I BB Malgr le fait que pour la I BB les panneaux solaires thermiques sont compos s de tubes sous vide laissant p n trer une partie du rayonnement mai
140. e p riode mais cette tude ne permet pas de conna tre l effet de l incertitude des param tres sur la temp rature d air de la maison I DM c est pourquoi l analyse de sensibilit globale est utilis e 4 3 4 Analyse de sensibilit globale L analyse de sensibilit globale a t effectu e en consid rant les 10 param tres s lectionn s l aide de l analyse de sensibilit locale et de l tude des corr lations C est la m thode de Sobol qui a t appliqu e avec un nombre de simulation gal a 6669 On a tudi les indices de sensibilit de la temp rature d air du RDC et de l tage de la maison I DM pour la p riode de f vrier La figure 4 29 repr sente les r sultats cumul s des indices du premier ordre et total pour la temp rature d air du RDC du 5 au 24 f vrier Avant le 21 f vrier on observe sur la figure 4 29a que la somme des indices du premier ordre est gale a 0 9 et que sur la figure 4 29b les indices totaux sont gaux environ 1 1 Apr s le 21 f vrier la somme des indices du premier ordre et des indices totaux sont saccad s car la temp rature d air a atteint la consigne voir figure 4 23a La figure 4 29 ne permet pas de d finir les param tres ayant un indice total sup rieur son indice du premier ordre La figure 4 30 pr sente les indices de sensibilit globaux du premier ordre et totaux par param tre pour la temp rature d air du RDC du 5 au 25 f vrier 2011 Pour
141. e quant la quantit d nergie fournie par la r sistance et l changeur au volume total de la maison Mesure des d bits d air La figure 2 24 repr sente la mesure des d bits l aide des d bitm tres ultrason du 1 au 4 mars Sur cette figure est visible le changement de sc nario avec la baisse du d bit le 2 mars La mesure du d bit de l aspiration air vici au RDC ne fonctionne pas durant cette p riode La mesure du d bit de l aspi ration air vici de l tage est perturb e lorsque la consigne est de 135m h Lorsque la consigne est de 135m h le d bit souffl mesur dans la maison est d environ 130m h et lorsque la consigne est de 90m3 h le d bit souffl mesur dans la mai 55 21 Der 2012 fel 00768506 version CHAPITRE 2 La probl matique des incertitudes en regard d une plateforme d exp rimentation 1 Soufflage par ventilation air neuf r chauff CS seinen amiss Bouche soufflage Chambre 3 Bouche soufflage Chambre 2 BR basen aut die ou Bouche soufflage Repas Bouche soufflage S jour A Temperature C ao ol 01 02 05 02 09 02 13 02 17 02 21 02 25 02 01 03 Figure 2 23 Temp rature d air du r seau de ventilation pour le mois de f vrier 2011 son est de 80m h La figure 2 25 repr sente les d bits les 13 et 14 avril avec la consigne de 135m3 h Les d bits varient au cours de journ e et ils augmentent du rant la p riode d ensoleil
142. e sensibilit peut tre r duit Seules l paisseur et la conductivit thermique d un mat riau peuvent tre prises en compte car si le mod le est sensible la conductance d un mat riau c est l paisseur et la conductivit qui seront les param tres influents alors que si le mod le est sensible l inertie c est l paisseur qui sera influente n facteurs ELE ee Pi Pi P Pa N valeurs chanillonn es x t x t yit p entr es x t T AT B U p vii h y t r sorties Xp ifD Xl Calcul de la DSP chaque instant Figure 1 5 Description de la m thode d analyse de sensibilit globale A chaque simulation les param tres voluent de mani re d crire une fonction p riodique extrait de Mara 2000 39 T A Mara et al 2008 42 comparent trois m thodes la m thode FAST la m thode de Sobol et une m thode qui utilise des r gressions polynomiales it r es une dimension Ils en concluent que le calcul de l indice de sensibilit pour huit para m tres est plus pr cis avec la m thode utilisant les r gressions polynomiales it r es une dimension que les m thodes FAST et de Sobol La m thode de Sobol a lin conv nient d obtenir des indices de sensibilit n gatifs Pour faire cette tude ils ont effectu une simulation thermique consid rant 21 param tres d une cellule test de l le de la R union Ils en concluent que qu
143. elatifs au renouvellement d air Pour les maisons faible consommation d nergie telles I DM et I BB les param tres les plus influents sont l efficacit de l changeur et la r partition du d bit entre les niveaux Si l efficacit de l changeur augmente le besoin de chauffage diminue et si le d bit de ventilation augmente au RDC la temp rature de consigne est atteinte rapidement et le besoin de chauffage diminue car la r gulation de la temp rature de consigne du chauffage est au RDC Pour la maison respectant la RT 2005 le param tre le plus influent est le d bit de ventilation or ce param tre ne fait pas partie des 15 param tres les plus influents dans le cas des maisons I DM et I BB Pour la maison RT 2005 aucun sys t me nerg tique ne permet de r chauffer l air ext rieur p n trant dans le b timent et plus le d bit est lev plus le besoin de chauffage est lev tude sur le confort d t Les figures 4 11 4 12 et 4 13 pr sentent les r sul tats des param tres influents pour le confort d t repr sent par les degr s heures d inconfort pour les trois b timents Maison I DM figures 4 11 Pour le confort d t de la maison I DM les familles des param tres les plus influents sont les param tres relatifs l inertie du b timent 109 Lar Piiz oi fel 00768506 version indice de sensibilit 123456 7 8 9 10111213 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 CH
144. en journ e figure 2 30 Le 25 mars c est une belle journ e ensoleill e on observe des pics de temp rature sur certains capteurs dans la cuisine dans les toilettes de l tage et la salle de bains Ces pics correspondent au moment ot le capteur est touch par le rayonnement solaire direct Durant la journ e la piece la plus froide au RDC est l entr e Cette pi ce n a pas d ouverture sur l ext rieur permettant la p n tration du rayonnement solaire La nuit on observe une homog n it entre tous les capteurs au RDC L amplitude de temp rature est plus lev e au RDC qu l tage Il y a une plus grande part de rayonnement solaire p n trant au RDC due la superficie des vi trages au Sud sup rieure au RDC par rapport l tage La temp rature d air au RDC est comprise dans une plage d incertitude de 0 2 C la nuit et de 2 5 C le jour et la plage d incertitude de la temp rature a l tage est de 0 7 C la nuit et de 1 5 C le jour 62 DAME a fel 00768506 version 2 2 La probl matique des incertitudes sur l exemple de la plateforme d exp rimentation Synth se des carts de temp rature Les figures 2 28 2 29 et 2 30 repr sentent les temp ratures d air au RDC et l tage de la maison I DM pour les journ es du 12 f vrier sc nario hors gel du 15 f vrier sc nario de remont en temp rature et du 25 mars 2011 sc nario normal une hauteur de 1 10 m tre du sol Ces figure
145. ensibilit augmente durant la journ e La conductivit et l paisseur de la laine de verre sont des param tres influents et la valeur de leur indice de sensibilit augmente continuellement jusqu au 21 f vrier Les gains internes sont un param tre influent et on tient compte du sc nario r el pour d terminer une bande d incertitude pour la temp rature d air dans la maison I DM Toutefois les charges internes d gag s par les centrales d acquisition sont mal connues et on souhaite conna tre la proportion de l influence de ces charges sur le r sultat de la temp rature d air Les param tres en couleur bleu relatifs la structure du b timent ont des valeurs d indices de sensibilit semblables entre eux l exception de la laine de verre Ces param tres sont 1 la masse volumique de la dalle des planchers 2 la chaleur sp cifique de la dalle des planchers 3 l paisseur de la dalle du plancher bas 4 la chaleur sp cifique de la chape 129 D Wee 2112 fel 00768506 version CHAPITRE 4 Simulations et tude des param tres influents des maisons INCAS resistance lectrique efficacit de l changeur paisseur de la laine de verre conductivit de la laine de verre gains internes RDC transmission du vitrage ext rieur double infiltration masse volumique de la dalle des planchers chaleur sp cifique de la dalle des planchers paisseur de la dalle du pla
146. entique entre les diff rentes configurations Dans la suite des travaux on verra que l incertitude de ce param tre a un impact sur les performances nerg tiques du b timent 6 SHON surface hors oeuvre net 74 dm en fel 00768506 version 3 3 Hypoth ses de mod lisation Normes Maison R sultats des mesures Passiv Haus n59 lt 0 60vol h Maison TDM OMe Vold Maison I BB 0 26Vol h Maison I DM 0 115 Vol h BBC Qupa Surf lt 0 60m h m de parois d perditives Maison LBB 0 aoe Table 3 1 Valeur du test d tanch it Les faux plafonds Les faux plafonds n ont pas t mod lis s comme une zone thermique Leurs volumes sont consid r s dans les zones du RDC ou de l tage comme tant de l air L incertitude de cette hypoth se sur les r sultats de simulation est faible car certaines dalles du faux plafond taient soulev es pour des raisons techniques et de maintenance et le faux plafond n est pas tanche faisant facilement circuler l air entre le faux plafond et le RDC ou l tage Apports internes Les maisons ne sont pas occup es Les apports internes sont dus aux quipements des maisons et des centrales d acquisitions Au RDC comme appareil il y a un onduleur une baie informatique trois transformateurs et deux centrales d acquisition A l tage il y deux centrales d acquisition et deux transfor mateurs Pour la zone du RDC nous avons consid r 180W et pour la zone de l tage 4
147. ents que vous avez su me donner pour avoir cr une ambiance de travail agr able et pour les tr s bons moments partag s ensemble aux doctorants et anciens doctorants Adrien Jeanne Layal Louis Mickael Pierre Xavier pour leur aide apport e tout au long de ce travail ainsi que l am biance de travail agr able au sein P INES aux stagiaires Emmanuel Eric Maxime Robin pour l aide que vous avez su m apporter pour ce travail aux assistantes du CEA et aux secr taires du LOCIE Carole C line Elisabeth Isabelle Laure Martine Mireille Pascale Patricia pour m avoir guider dans les d marches administratives mes parents Carole et Michel et mon fr re Pierre Paul pour leur soutien constant leurs conseils et encouragements a Guillaume compagnon de vie et de cord e pour son soutien durant la these et particuli rement lors des moments difficiles dm en fe1 00768506 version d R sum Le recours la simulation est d cisif dans le processus de conception d un b timent neuf Elle permet d valuer diff rentes alternatives au regard de la performance nerg tique et du confort des occupants et constitue ainsi un outil d aide a la d cision incontournable Aujourd hui la question de la fiabilit des codes de simulation n est pas n gliger L augmentation des performances ner g tiques des b timents pourrait mettre en d faut un certain nombre d hypoth ses de mod lisation
148. erformances thermo a rauliques des b timents par as sociation de mod les de diff rents niveaux de finesse au sein d un environnement orient objet PhD thesis Universit de le Rochelle 2003 M D Morris Factorial sampling plans for preliminary computational experi ments Technometrics 33 139 245 1991 B Moujalled Mod lisation dynamique du confort thermique dans les batiments naturellement ventil s PhD thesis Institut national des sciences appliqu es de Lyon 2007 J Neymark and R Judkoff International energy agency building energy simu lation test and diagnostic method for heating ventilating and air conditioning equipment models HVAC BESTEST volume 1 Cases E100 E200 Technical report IEA and NREL 2002 J Neymark and R Judkoff International energy agency building energy simu lation test and diagnostic method for heating ventilating and air conditioning equipment models HVAC BESTEST volume 2 Cases E300 E54 Technical report IEA and NREL 2004 J No l J J Roux and J Virgone pr sentation et perspectives du logiciel codyba In Journ e th matique SFT IBPSA 2005 J Page Simulating Occupant Presence and Behaviour in Buildings PhD thesis Ecole polytechnique f d rale de Lausanne 2007 A A Peppes M Santanmouris and D N Asimakopoulos Experimental and numerical study of buoyancy driven stairwell flow in a three storey building Building and environment 37 497 506 2002 M A Pie
149. es caract ristiques des volets paisseur transmission r flexion conductivit missivit distance entre le volet et le vitrage la r sistance thermique de la porte d entr e les d bits de ventilation et d infiltration les coefficients de convection vertical horizontal int rieur comme ext rieur l alb do l angle du b timent par rapport au Nord pour les maisons I DM et I BB la r partition du d bit de ventilation entre les zones du rez de chauss e et de l tage l efficacit de l changeur Le nombre de param tres consid r s pour chaque maison est 142 param tres pour la I DM 146 param tres pour la I BB 117 param tres pour la maison RT 2005 L tude s est port e sur le besoin de chauffage et le degr d heure d inconfort 4 2 2 3 Mise en place des s ries de simulations Pour effectuer les simulations en s rie un couplage a t effectu entre l outil Matlab et EnergyPlus Diff rentes tapes sont n cessaires pour obtenir le r sultat de l indice de sensibilit locale La figure 4 6 pr sente le couplage et les 4 tapes n cessaires 104 UNE ihe 68506 version te l 007 4 2 Cas 1 Incertitude sur les besoins en chauffage et le confort dans trois b timents Calcul des indices de sensibilit Cr ation du i me fichier d entr e a Logiciel Matlab Simulation Copie fichier de r sultat Logiciel Energ
150. es sont consid r s dans la simulation et le cas o le plancher du RDC et le plafond de l tage sont en contact directement avec l air temp rature ext rieure Le vide sanitaire Nous savons que deux parametres sont tr s influents sur la temp rature d air du vide sanitaire le d bit de renouvellement d air et la temp rature du sol et on a consid r un d bit de renouvellement d air de 0 5V h Dans EnergyPlus la temp rature du sol est renseign e mensuellement et pour le mois de f vrier on a une temp rature de 6 6 C alors que pour le mois de mars elle est de 8 9 C ces temp ratures ayant t calcul es l aide d un module suppl mentaire d Energy Plus 2 La figure 3 10a repr sente la comparaison entre la mesure et la simulation 83 RE Ne fel 00768506 version d CHAPITRE 3 La validation des mod les num riques des maisons INCAS Simulation Mesure Temp rature ext rieure T mp rature C 2 i i i i i i i i 27 02 28 02 01 03 02 03 03 03 04 03 05 03 06 03 07 03 08 03 09 03 10 03 a Temp rature vide sanitaire mesure et simulation T mp rature C 27 02 28 02 01 03 02 03 03 03 04 03 05 03 06 03 07 03 08 03 09 03 10 03 b R sidu Figure 3 10 Comparaison entre la mesure et simulation pour la temp rature d air du vide sanitaire et r sidu pour la temp rature d air du vide sanitaire ainsi que la temp rature ext rieure du 27 f vrier au 9 mars et la figure 3 1
151. es temp ratures d air int rieures ne sont pas descendues sous la consigne hors gel de 11 C et la r sistance ne s est pas mise en marche Pour la figure 2 14b c est la moyenne des puissances journali res qui est repr sent e Elle est diff rente entre les deux maisons pour la maison I DM la puissance maximale est d environ 1 13kW et pour la maison I BB elle est d environ 1 19kW Sur la figure 2 14 on observe diff rents carts soit de temp rature entre les niveaux et entre les maisons soit de puissance entre les niveaux Diff rentes sources d incer titudes peuvent tre l origine de ces carts les incertitudes sur le champ de temp rature les incertitudes concernant les sollicitations ext rieures les incertitudes concernant la distribution a raulique Dans la suite ces diff rentes sources d incertitudes seront explicit es 44 lol Wag 2012 Version feld0768506 2 2 La probl matique des incertitudes sur l exemple de la plateforme d exp rimentation D bit de ventilation m h 01 02 07 02 13 02 19 02 25 02 03 03 09 03 15 03 21 03 27 03 Temp rature de consigne 01 02 07 02 13 02 19 02 25 02 03 03 09 03 15 03 21 03 27 03 Position des volets Ouve 4102 07 02 13 02 19 02 25 02 03 03 09 03 15 03 21 03 27 03 Moyenne journali re de la temp rature d air ext rieur 01 02 07 02 13 02 19 02 25 02 03 03 09 03 15 03 21 03 27 03 Moyenne journali re du rayonnemen
152. es usagers et de la gestion 1 3 2 Les outils de simulation sont ils fiables De nombreux outils de simulation sont propos s aux acteurs du b timent Trnsys EnergyPlus Comfie Ple iades Tous ces outils ont montr leurs performances et ont fait l objet de validations pouss es Les projets PASSYS et BESTEST sont les pro jets les plus embl matiques s tant int ress s la validation des outils de simulation appliqu s la thermique des b timents Le projet europ en PASSYS a t propos en 1986 par la commission europ enne avec comme but d augmenter la fiabilit des syst mes solaires passifs et il s est int ress valider les codes de simulation 32 7 dm en fel 00768506 version CHAPITRE 1 Le monde incertain de la simulation du batiment Plancher Paroi Paroi Plancher Plancher Int Ext Int Ext Int Int Int Ext Simu 2 5 6 3 6 1 0 09 1 0 2 4 Table 1 1 Valeur des coefficients d change convectifs pour les deux configurations W m K Source A Brun et al 2009 9 L un des axes de ce programme a consist a r aliser des cellules test dans plusieurs pays comme moyen d valuation standardis des composants d apport solaire pas sif Les cellules PASSYS sont compos es de cing faces consid r es adiabatiques la fagade test orient e Sud tant modulable et ont permis d effectuer une validation exp rimentale des codes Les travaux du projet BESTEST
153. et de relance de chauffage La figure 3 14 repr sente la p riode du 11 au 17 f vrier Du 11 au 13 f vrier c est le sc nario hors gel la consigne de chauffage est de 11 C le d bit de ventilation est de 90m h et les volets sont ferm s Du 14 au 17 f vrier c est un sc nario normal la consigne de chauffage est de 20 C le d bit de ventilation est de 135m3 h et les volets sont ouverts durant la journ e et ferm s la nuit La pr diction de la temp rature d air du RDC est proche de la mesure le r sidu est compris entre 0 5 1 5 sauf pour le 14 f vrier c est le jour de la relance du chauffage et de l ouverture des volets Pour la temp rature d air de l tage le r sidu est compris entre 0 5 2 P riode de consigne de chauffage 20 C La figure 3 15 repr sente la p riode du 23 au 28 f vrier Durant cette p riode la maison I DM est en sc nario normal la maison est maintenue la temp rature de consigne gr ce la r sistance La pr diction de la temp rature d air du RDC est comprise dans la bande d incertitude de la mesure Pour l tage la temp rature pr dite est inf rieure la mesure Sur les r sidus on observe des pics de temp rature en cours de journ e Cela s explique par l incertitude due la tache solaire expliqu e pr c demment Sans consid rer les pics de temp rature les r sidus sont compris entre 1 2 P riode d volution libre des temp ratures La figure 3 16 re
154. et m orienter dans ces travaux ili dm en fel 00768506 version aM Arnaud Jay Ing nieur de recherche au CEA INES pour sa grande disponibi lit et les conseils avis s qu il a su me donner pour guider ces travaux de recherche aux techniciens du CEA INES Mme Val rie Barentin M Jocelyn Anger et M Didier Therme pour avoir su r pondre aux questions d ordres techniques de la plate forme INCAS M Benjamin Boillot Ing nieur de recherche au CEA INES pour m avoir offert l opportunit d effectuer mon stage de Master 2 au CEA INES et pour avoir t en partie l initiative de cette th se M Michael Wetter et M Phil Haves chercheur au LBNL pour m avoir accueilli durant deux mois au sein du groupe de simulation au Lawrence Berkeley National Laboratory LBNL me permettant de d couvrir le fonctionnement d un labora toire am ricain d enrichir mes connaissances et d changer dans le domaine de la programmation de logiciel en simulation appliqu e aux b timents la r gion Rh nes Alpes pour leur Bourse CMIRA Explora Doc 2009 qui m a permis de financer une partie du s jour au Lawrence Berkeley National Labora tory LBNL l ensemble du personnel de PINES et du LOCIE en particulier Anais Anne France Cathy Corinne Fabio Fabrice Francois Gianpiero Guilian Jasmin J rome Maxence Patrice Philippe Pierre Sylvain Virginie Timea pour votre gentillesse les renseignem
155. eu fel 00768506 version CHAPITRE 4 Simulations et tude des param tres influents des maisons INCAS r sistance lectrique efficacit de l changeur paisseur laine de verre conductivit laine de verre gains internes du RDC transmission vitrage ext rieur d bit d infiltration paisseur de la dalle paisseur du parpaing coefficient de convection int rieur indice de sensibilit du premier ordre IN 9 gl a 2 7 4 SENINI SE RT Nan A mn WA 05 02 08 02 11 02 14 02 r sistance lectrique efficacit de l changeur paisseur laine de verre conductivit laine de verre gains internes du RDC Transmission vitrage ext rieur d bit d infiltration paisseur de la dalle paisseur du parpaing coefficient de convection int rieur indice de sensibilit du premier ordre 20 02 23 02 b Temp rature d air tage Figure 4 31 Indices de sensibilit du premier ordre pour la temp rature d air du RDC et de l tage de la maison I DM du 5 au 25 f vrier 2011 142 aP Mac eiie tel 00768506 version 1 4 4 Conclusion la nuit Pour ces m mes jours on observe de tres faibles amplitudes sur les indices de sensibilit dont la valeur est sup rieure a 0 1 L analyse de sensibilit globale appliqu e aux temp ratures d air du RDC et de l tage de la maison I DM du 5 au 25 f vrier a permis de d finir six param tres influents dans leurs
156. ffus 25 temp rature ext rieure 11800 rayonnement direct DOP tet Te 4600 Temperature C Temperature C a S So rayonnement W m2 rayonnement A gt i i 20 0 1102 1802 1502 1702 1902 2102 20 03 2203 403 26 03 28 03 30 03 c M t o du 11 au 21 f vrier 2011 d M t o du 20 au 30 mars 2011 Figure 2 17 Gradient de temp rature au RDC de la maison I DM et conditions m t orologiques pour 10 jours en f vrier et 10 jours en mars 50 dm en fel 00768506 version 2 2 La probl matique des incertitudes sur l exemple de la plateforme d exp rimentation ext rieures 2 2 3 Incertitudes concernant les sollicitations ext rieures Les puissances de chauffage et le rayonnement solaire sont des sollicitations respon sables des perturbations thermiques des maisons I DM et I BB Puissance de chauffage Pour la p riode du 14 f vrier au 3 mars on constate sur la figure 2 16 Les r sistances lectriques sont au maximum de leur puissance durant 5 jours sauf pour le 19 f vrier La journ e du 19 f vrier est ensoleill e un pic de 3 C de temp rature est observ par rapport la nuit du 18 au 19 f vrier pour le niveau du RDC En cours de journ e la temp rature d air dans les maisons augmente jusqu atteindre la temp rature de consigne les r sistances s teignent et se ral lument en fin de journ e d s que la temp rature d air est inf rieure la consign
157. ffus mesur et calcul l aide des deux pyranom tres disponible sur le site pour le 5 et 6 mars 2011 Le rayonnement infrarouge est mesur l aide d un pyrg om tre C est un radiom tre h misph rique qui mesure l clairement nerg tique infrarouge incident la surface de la terre dans toutes les directions d au rayonnement tellurique d origine atmosph rique ou celui mis et r fl chi par le sol Cet appareil permet d estimer le rayonnement net qui intervient dans le calcul du bilan radiatif des surfaces orient es vers le ciel avec une incertitude annonc e de 2 sur l int grale journali re du flux solaire L alb do est mesur l aide d un alb dom tre c est une grandeur sans dimen sion C est le rapport de l nergie solaire r fl chie par une surface l nergie solaire incidente Les valeurs sont comprises entre 0 et 1 0 correspondant la couleur noire pour un corps sans aucune r flexion et 1 au miroir parfait diffusant dans toutes les 40 aP Mac eiie tel 00768506 version 1 2 1 Cadre d tude les maisons INCAS directions et n absorbant rien du rayonnement lectromagn tique visible qu il re oit L alb dometre n a pas d emplacement fixe sur le site pour permettre les mesures de l alb do pour diff rents sols Apr s avoir pr sent les diff rents appareils permettant la mesure des conditions cli matiques et les incertitudes qui y sont li es un
158. ge est gale 11 1kWh m an et son incertitude relative est environ gale 23 pour la RT 2005 la moyenne du besoin de chauffage est gale 113 2kWh m an et son incertitude relative est envi ron gale 9 L augmentation du besoin de chauffage entra ne donc une diminution de l incertitude relative et une augmentation de la valeur absolue d incertitude La figure 4 17 repr sente l histogramme du besoin de chauffage des 2000 simulations pour les trois maisons Pour la I DM et la I BB la distribution des besoins de chauf fage est sous forme gaussienne tandis que pour la maison RT 2005 la distribution est plus h t rog ne L analyse d incertitude a permis de d finir des plages d incertitude pour les r sultats des besoins de chauffage en fonction de l incertitude de 13 param tres consid r s comme influents Mais cette tude ne permet pas de conna tre l effet de la valeur de l incertitude d un param tre sur la sortie du mod le 118 Ti bee NE 68506 version tel 007 4 2 Cas 1 Incertitude sur les besoins en chauffage et le confort dans trois b timents a OOF Fr quence o N 0 a R we 12 14 16 18 20 22 24 besoin de chauffage KWh m2 an a Maison I DM 400 ol rr ST E 300 BB es eens ee OOF o S 5 i Eao Sub 3 200F e 2 2 200 2 100f 1 D 0 r 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 102 106 110 114 118 122 12
159. gnes du fichier m t o d EnergyPlus pour Cham bery Am les Bains succsee ermida aa iei a e e 160 Description des colonnes 1 25 des fichiers m t o d EnergyPlus 162 Description des colonnes 26 35 des fichiers m t o d EnergyPlus 163 dm en fe1 00768506 version d Introduction La ma trise des consommations est devenue au cours des derni res ann es un enjeu conomique majeur et les politiciens inscrivent la transition nerg tique au coeur de leur programme pr sidentiel En France le secteur du b timent est le plus gros consommateur d nergie repr sentant 44 de l nergie finale totale et 23 d mis sion de gaz effet de serret Le Grenelle de l environnement fixe les objectifs de division par quatre des missions de gaz effet de serre d ici 2050 pour stabi liser les missions au niveau de 1990 Pour tenir ces objectifs la construction de b timents basse consommation se g n ralise et un programme de r novation du parc existant est en cours De nombreux projets s int ressent v rifier que les per formances nerg tiques r elles sont bien en ad quation avec les objectifs fix s dans le projet et avec les prescriptions faites lors de la conception On parle alors de ga rantie de performance Or par retour d exp rience il est souvent constat des carts entre consommation estim e et mesur e Ces exigences en termes de consommation nerg tique et de garantie de performa
160. gression le signe de b renseigne sur le sens de variation de la sortie et si b gt 0 cela signifie qu une augmentation du param tre x aura pour effet d augmenter la valeur de y Le polyn me est g n ralement du premier ordre si le mod le est non lin aire mais il est possible que le polyn me soit d ordre sup rieur Le coefficient de r gression b ne permet pas de trier les param tres par ordre d influence Les valeurs int ressantes calculer sont les coefficients de r gression standardis s SRC pour N gal au nombre de simulation SRC A Avec Swany ey ule eT Ges i 1 N N wo gt pla gt i 1 i 1 SRC d termine l effet de la variation d un param tre d entr e pour une variation fixe de son cart type sur la variation de la sortie I est aussi possible de d terminer le coefficient de d termination R 1 17 dm en fel 00768506 version 1 4 Etat de l art des m thodes d analyses de sensibilit Si le r sultat de R est proche de 1 alors l approximation du mod le original est bonne et les param tres consid r s dans l analyse de sensibilit sont en majeure par tie responsables de l incertitude sur la sortie y Macdonald I 2002 38 a utilis la m thode des analyses de Monte Carlo dans sa th se dans le cas de la simulation thermique de b timent F Dominguez Munoz et al 2010 21 a d termin les coefficients de r gression standar
161. gy and Buildings 42 1010 1018 2010 T Duforestel H Bouia O Hartmann J J Roux and G Krauss Les outils de mod lisation nerg tique des b timents tr s basse consommation In Conference IBPSA France 2008 2008 X Faure Optimisation d enveloppe hybride pour b timent haute performance nerg tique PhD thesis Universit Joseph Fourier Grenoble 2007 Caroline Flory Celini Mod lisation et positionnement de solutions bioclima tiques dans le b timent r sidentiel existant PhD thesis Universit Lyon 1 Claude Bernard 2008 J M F rbringer and C A Roulet Confidence of simulation results put a sensitivity analysis module in your model the IEA ECBCS annex 23 experience of model evaluation Energy and buildings 30 61 71 1999 F Haldi and D Robinson On the behaviour and adaptation of office occupants Building and environment 43 2163 2177 2008 R H Henninger and M J Witte Energyplus testing with building thermal envelope and fabric load tests from ansi ashrae standard 140 2007 Technical report U S Departement of Energy 2010 R H Henninger and M J Witte Energyplus testing with hvac equipment com ponent tests Technical report U S Departement of Energy 2010 166 dm en fel 00768506 version 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 R H Henninger and M J Witte Energyplus testing with IEA
162. h rence entre les deux mesures tout en consid rant une incertitude d environ 8 entre les deux appareils de mesure Mesure plateforme mesure lampadaire 600f es gt i 500 Ct posts D eee 300 P20 See OE Pere ai Rayonnement W m2 Rayonnement W m 100 i i 11 03 12 03 13 03 11 03 12 03 13 03 a Mesure du rayonnement global b Diff rence entre les 2 mesures du rayon nement global Figure 2 10 Mesure du rayonnement global pour le 11 et 12 mars 2011 PINES Le rayonnement solaire direct est mesur l aide d un pyrh liom tre associ un syst me de suivi du soleil Cet instrument permet de suivre la course du soleil il comporte une ouverture r duite et une surface r ceptrice qui doit tre mainte nue normale aux rayons du soleil par un syst me automatique La mesure n est pas perturb e par des l ments environnants car cet instrument ne mesure que le rayon nement directement issu du soleil l exclusion de celui issu du ciel ou de la terre L incertitude annonc e de ce pyrh liom tre est de 2 sur l int grale journali re du flux solaire Le rayonnement solaire diffus est mesur l aide d un pyranom tre et d un anneau qui permet de masquer le rayonnement direct L ombre de l anneau couvre 39 NE en 68506 version te l 007 CHAPITRE 2 La probl matique des incertitudes en regard d une plateforme d exp rimentation compl tement le d me du
163. haque maison 2000 simulations ont t effectu es 4 2 3 2 Param tres consid r s et leurs plages d incertitudes Maison I DM Nous avons s lectionn 13 param tres influents trouv s l aide de l analyse de sensibilit locale Les param tres avec leurs incertitudes sont repr sent s dans le tableau 4 3 Nous avons s lectionn les 13 premiers param tres mais pour r duire ce nombre nous avons d cid de ne pas consid rer la masse volumique de la chape car l paisseur la conductivit et la chaleur sp cifique de la chape sont d j pris en compte Nous avons d cid de consid rer le d bit de ventilation bien qu il soit en 23 position Plusieurs tudes ont montr que ce param tre tait influent La figure 4 14 montre les chantillonnages des param tres Maison I BB Comme pour la I DM 13 param tres influents trouv s l aide de l analyse de sensibilit locale ont t s lectionn s Les 13 premiers param tres ont t s lectionn s et comme pour la I DM nous n avons pas consid r la masse volumique de la chape Le 13 param tre consid r est le d bit de ventilation Ce param tre 113 oh Der Bite version leld0768506 CHAPITRE 4 Simulations et tude des param tres influents des maisons INCAS efficacit echangeur r partition du d bit conductivit laine de verre 8 400 400 600 z 7 200 300 7 Ug ol 0 0 0 75 0 85 0 95 0 35 0
164. http www plan batiment legrenelle environnement fr xxiii dm en fel 00768506 version 1 tion Ces outils ont des domaines d applications tr s diff rents Une pr sentation des outils les plus utilis s est propos e ainsi que les hypoth ses de simulation corres pondant qui ne sont pas toujours en ad quation avec les constructions d aujourd hui Le second chapitre traite des incertitudes de mesure que l on peut rencontrer dans un batiment a faible consommation d nergie Une pr sentation de la plateforme INCAS est r alis e ainsi qu une description d taill e des maisons I DM et I BB On pr sente l ensemble des capteurs install s sur le site d INES permettant de suivre le comportement thermique des maisons ainsi que leurs plages d incertitude Une p riode a t analys e pour identifier la plage d incertitude de plusieurs param tres Les mesures effectu es sur le site d INES permettent d effectuer une validation des mod les num riques des maisons c est l objet du troisi me chapitre EnergyPlus est l outil de simulation choisi pour ces travaux et on pr sente les nombreuses validations dont il a fait l objet Enfin une comparaison entre l exp rimentation et la simulation pour le cas des maisons I DM et I BB montre toute la difficult de cette tape de validation Le dernier chapitre propose une m thodologie bas e en trois temps pour valuer les incertitudes associ es aux pr visions
165. i un outil d aide a la d cision incontournable Dans la d marche d une garantie de performance nerg tique la simulation num rique offre des perspectives que l on va tenter de pr ciser 1 2 La probl matique de la garantie de perfor mance Dans le contexte de la construction de b timents neufs tr s faible consommation voire autonomes en nergie il devient imp ratif de mettre en place une pratique syst matique du suivi du b timent nouvellement construit On parle de garantie de performance lorsqu on veut v rifier que les performances r elles d un b timent sont bien en ad quation avec les objectifs fix s dans le projet et avec les prescrip tions faites lors de la conception On peut d finir une garantie de r sultat o la performance nerg tique du b timent doit tre comprise comme un contrat entre les acteurs qui fixent une consommation nerg tique surfacique annuelle atteindre Un exemple concerne la Tour Elithis inaugur e en 2009 Dijon immeuble de 5000 m de bureaux et commerces annonc e comme le premier b timent tertiaire fran ais nergie positive figure 1 1 Les pr visions avaient donn un ratio nerg tique de 65 kWhEP m an et apr s une ann e d utilisation du b timent un premier 2 Tt Deter we fe1 00768506 version 1 2 La probl matique de la garantie de performance Figure 1 1 Tour Elithis 4 Dijon photo DR image fournie par Elithis bilan nerg tiqu
166. ie 125 Ti bee Ne 68506 version te l 007 CHAPITRE 4 Simulations et tude des param tres influents des maisons INCAS Correspondance des param tres ter ordre 1 efficacit de l changeur EM total 2 paisseur poutrelle entrevous du plancher interm diaire 3 paisseur de la chape 4 d bit de ventilation 5 r partition du d bit de ventilation 6 conductivit de la chape 7 d bit d infiltration 8 conductivit du polysytyr ne extrud mur ext rieur 9 paisseur du polysytyr ne extrud mur ext rieur indice de sensibilit param tres Figure 4 22 R sultat de l analyse de sensibilit globale pour le besoin de chauffage pour la maison I BB en consid rant neuf param tres influents par param tre en fonction de la connaissance de la valeur exacte du param tre une distribution uniforme ou normale a t choisie Puis une propagation des incertitudes a t r alis e en consid rant 2000 simulations afin de d finir une plage d incertitude pour le besoin de chauffage pour chaque maison La moyenne du besoin de chauffage de la I DM est de 16 8kWh m an son incertitude relative est d environ 18 alors que pour la I BB la moyenne du besoin de chauffage est gale 11 1kWh m an et son incertitude relative est environ gale 23 Pour la RT 2005 la moyenne du besoin de chauffage est gale 113 2kWh m an et son incertitude relative est environ gale 9
167. ie fe1 00768506 version d Conclusion et perspectives Depuis le premier sommet de l environnement Stockholm en 1972 la prise de conscience cologique n a pas cess d voluer La construction de b timents basse consommation r duisant presque d un facteur 10 la consommation des b timents par rapport la moyenne du parc existant s est multipli e durant ces derni res ann es Pour aider la rationalisation de l utilisation de l nergie dans le secteur du b ti ment la simulation thermique dynamique est utilis e et les exigences de pr cision des calculs se sont accrues et il devient essentiel d appr cier les incertitudes associ es ces pr visions afin d am liorer le processus de conception Les outils de simulation constituent le moyen le plus raisonnable en termes de d lai et de co t pour analyser et am liorer les performances nerg tiques des b timents que ce soit en phase de conception ou de r habilitation Cela implique que les outils aient au pr alable t sujets des tests rigoureux de validation Le concept de Garantie de R sultat permettra au ma tre d ouvrage de s engager en limitant les risques dans les nouvelles constructions haute performance ner g tique Pour cela il est n cessaire de r aliser un suivi du b timent nouvellement construit afin de v rifier que ses performances r elles sont bien en ad quation avec les objectifs fix s dans le projet et avec les presc
168. ier la mod lisation Les param tres ayant une grande variabilit sur la sortie du mod le Une meilleure connaissance de ces param tres permettra de r duire les erreurs sur les sorties du mod le Les param tres ayant peu voire pas d influence sur la sortie du mod le Une valeur par d faut pour ces param tres pourra tre choisie Les corr lations entre les param tres La connaissance des interactions permet de mieux comprendre le ph nom ne mod lis et permet de s int resser des groupes de param tres plut t qu un param tre isol Les analyses de sensibilit sont utilis es dans de nombreux domaines A Saltelli 57 56 pr sente quelques exemples dans les domaines de l cologie la chimie les mat riaux semi conducteurs et l conomie Julien Jacques 31 a utilis les analyses de sensibilit en s ret nucl aire pour des tudes d impact sur l environnement dans le cadre de sa th se 2005 intitul e Contribution l analyse de sensibilit et l analyse discriminante g n ralis e Diff rentes m thodes d analyses de sensibilit existent A Saltelli 2008 56 en dresse un large aper u Les m thodes qui existent sont La m thode du Screening qui permet avec un faible nombre de simulation de d terminer les param tres les plus influents qui mettent une information quali tative 16 dm en fel 00768506 version 1 4 Etat de l art des m thodes d ana
169. ilit plus pertinente consiste avoir une meilleure connaissance des param tres influents d termin s l aide des analyses de sensibilit globale Dans le cas des maisons I DM et I BB une meilleure connais sance des param tres de l efficacit de l changeur du d bit de ventilation et du d bit d infiltration permettrait de r duire l incertitude sur le r sultat de simulation et permettrait ainsi de pouvoir effectuer un diagnostic nerg tique plus fiable et une analyse de dysfonctionnement Dans le cas de la maison I DM si l incertitude de la mesure est am lior e sur certains param tres comme l efficacit de l changeur ou le d bit d infiltration il y aurait la possibilit d expliquer l cart entre mesure et si mulation Cet cart provient soit du mod le num rique soit d un dysfonctionnement dans la maison qui pourrait tre identifi De nombreuses applications sont possibles l aide de cette m thodologie et la connaissance des param tres influents pourrait permettre de choisir des mat riaux comportant des incertitudes faibles sur les param tres physiques permettant de r duire l incertitude sur le bilan nerg tique de choisir une m trologie adapt e les param tres influents tant les param tres les plus responsables de la d rive de la performance nerg tique du b timent une meilleure connaissance de ces param tres r duirait l incertitude sur le r sultat 144 dm ei
170. iment pr sent s 6 http www archiwizard fr 12 dm en fel 00768506 version 1 3 La probl matique de la fiabilit des outils de simulation la mod lisation de b timents basse consommation Son r sultat permet d obtenir des tendances et d avoir rapidement des r sultats par exemple sur l impact d une modification g om trique Comfie Pl iades 55 est un outil d velopp au Centre Energ tique et Proc d de Mines ParisTech dont le calcul consiste r duire un mod le aux diff rences finies par analyse modale cette technique de r duction permettant de r duire les temps de calcul Il s agit de simulations dynamiques permettant avec un niveau de pr cision acceptable de repr senter des consommations nerg tiques en hiver ou des niveaux d inconfort d t avec une mod lisation multizone Les donn es peuvent tre expor t es vers l environnement TRNSYS de mani re tudier les quipements Comme ArchiWizard il int gre un module de calcul RT2012 CoDyBa pour COmportement DYnamique des BAtiments est un outil d ve lopp Lyon sur la base des travaux de th se de J J Roux 1984 Le coeur de calcul d architecture modulaire utilise la r duction modale du probl me physique ce qui le rend tr s rapide et a volu vers KOZIBU qui a conserv les m thodes de r solution de CODYBA mais a t programm en utilisant une hi rarchie de classes pour repr senter le b timent Il peut en
171. imulations et tude des param tres influents des maisons INCAS 1200 temp rature ext rieure 1 25 temp rature d air du RDC 1000 rayonnement direct __ oe ee 490 rayonnement W m al WE ee Ne fetus tan De ote LEE NE ee koee oe ees eee eee e 2 p 2 2 5 5 2 2 Ss CUS RST be pe a aa Be Bt EG oe Bie be ES LT A a bi S a E k 7 ki 7 a 400 5 5 200 0 0 poi 5 05 02 07 02 09 02 11 02 13 02 15 02 17 02 19 02 21 02 23 02 25 02 a P riode 1 du 5 au 25 f vrier 2011 temp rature ext rieure temp rature d air du RDC rayonnement direct rayonnement W m 800 2 2 2 600 5 Qa 400 200 b P riode 2 du 20 au 29 mars 2011 Figure 4 23 R sultat de simulation de la temp rature d air du RDC de la maison I DM la tudi es temp rature ext rieur et le rayonnement direct pour les deux p riodes 128 Ti eerie fel 00768506 version 4 3 Cas 2 Incertitudes associ es aux temp ratures d air int rieur comme Sia Som Seta La distance est une donn e plus int ressante que la moyenne car elle permet de rep rer les indices de sensibilit pour lesquels la moyenne est faible mais pr sentent une grande variabilit Le calcul de la distance permet de classer les param tres influents par ordre d importance Pour s lectionner les param tres les plus influents seuls les p
172. inie dans la partie 2 2 4 l aide de la mesure L incertitude li e cette valeur sera par la suite prise en compte Puissance de la r sistance Le constructeur indique que la puissance de la r sis tance lectrique install e dans les maisons est de 1200W On mesure pour la DM une puissance d environ 1130W tandis que pour la I BB 1190W On consid re l hy poth se que les r sistances install es sont identiques mais que la mesure effectu e dans les maisons comporte des incertitudes Pour la mod lisation des deux maisons on consid re la m me puissance de r sistance de 1150W avec un rendement gal 1 Cette valeur comporte une incertitude que l on consid rera par la suite 76 dm en fel 00768506 version 3 4 Confrontation entre mod le et exp rimentation D bit de ventilation Le d bit de ventilation r glementaire impos pour les mai sons INCAS est gal 135m h D apr s les mesures effectu es dans la maison I DM l aide des d bitm tres durant les mois de f vrier et de mars on a consid r un d bit gal 135m h en p riode normale et de 80m h en p riode hors gel En p riode normale nous avons consid r un d bit souffl au RDC gal 73m h et l tage de 62m h et un d bit de 15m h a t consid r entre les deux niveaux allant du RDC vers l tage Dans la mod lisation il est n cessaire d avoir un d bit souffl gal au d bit aspir ce qui explique que l ai
173. ion de ces m thodes il faudrait les impl menter directement dans les codes de simulation les plus utilis s par les bu reaux d tudes et cabinets d architectes Le temps de calcul pourrait tre un frein la g n ralisation de l utilisation de cette m thodologie et pour le r duire l tude de 146 Th Dee ite fel 00768506 version la surface de r ponse sera une piste a explorer Plusieurs m thodes existent comme la r gression lin aire ou encore les r seaux de neurones et une attention particuli re devra tre port e au fait de ne pas r duire la pr cision de la simulation L identification des param tres influents et la mise en place d un suivi du b timent l aide de l exp rimentation permettra l aide de quelques quations de cr er un mod le reproduisant correctement les mesures L exp rimentation et la simulation en temps r el permettant alors d identifier les d rives du mod le num rique par rapport aux mesures ce qui permettra donc d analyser et de corriger un ventuel dysfonctionnement 147 148 DAME in fe1 00768506 version Annexes Annexe A Fa ades des maisons exp rimentales d Facade Sud Figure 32 Faca
174. ion du moment d ex ploitation du b timent On va d tailler maintenant d autres sources d incertitudes qui peuvent galement impacter la garantie de performance d un b timent lors des diff rentes phases de sa construction dm en fel 00768506 version CHAPITRE 1 Le monde incertain de la simulation du batiment Phase de mise en oeuvre diff rentes sources d erreurs peuvent tre respon sables de biais sur les r sultats de la performance nerg tique Les caract ristiques physiques des mat riaux choisis durant la phase de conception pour la mod lisation peuvent tre diff rentes des caract ristiques physiques des mat riaux r ellement ins tall s impliquant une modification du r sultat de simulation Une mauvaise mise en oeuvre peut galement impliquer des ponts thermiques induisant une performance nerg tique d grad e Phase d exploitation durant cette phase une instrumentation appropri e peut tre mise en place pour v rifier le bon fonctionnement du batiment Dans le cas des syst mes nerg tiques on appelle cela le commissionnement L annexe 40 de l Agence Internationale de l Energie l a d fini comme un processus visant s assurer que les syst mes sont con us install s test s fonctionnels et peuvent tre exploit s et maintenus dans des conditions optimales Il commence avec le programme et se poursuit au cours des phases de conception de construction de r ception de for mat
175. ion et d exploitation et peut tre appliqu tout au long de la vie du b timent M A Piette et al 2001 53 ont effectu une op ration de commissionnement sur un b timent San Fransisco USA Ils ont d velopp un outil qui permet d effectuer la phase d acquisition des donn es la phase de traitement des donn es et la phase de visualisation A l aide de cette tude ils ont am lior les op rations de contr le des syst mes nerg tiques en les rendant plus autonomes d o une r duction de la consommation nerg tique et donc conomique En pilotant l ensemble des quipe ments techniques et lectroniques d un b timent tertiaire la gestion technique du b timent GTB permet de r aliser des conomies d nergie tout en optimisant le confort des occupants Le commissionnement est en train de se d velopper principalement pour des raisons environnementales et nerg tiques il permet de v rifier le bon fonctionnement du b timent Dans l tude de M A Piette et al 2001 53 on parle d am lioration et non de garantie de performance nerg tique Nous venons de d crire les incertitudes durant les diff rentes phases de la construc tion d un b timent Dans le cas de la tour Elithis diff rentes sources d incertitudes peuvent tre l origine des carts entre les pr visions et les mesures A partir de quels sc narios ont t calcul es les pr visions Sont ils r alistes La mise en oeuvre
176. ipales tapes sont 1 Comparaison entre la mesure et le mod le et si le r sidu est compris dans l intervalle d incertitude de la mesure le mod le est jug valide 2 Si le mod le n est pas valide les entr es corr l es au r sidu sont recherch es en utilisant l analyse temps fr quence si une erreur de mesure est identifi e la validation n est pas possible 3 Sila mauvaise prise en compte de l entr e identifi e l tape pr c dente est due la m connaissance de la valeur d un ou plusieurs param tre s l analyse de sensibilit param trique du mod le est effectu e 4 Une fois les param tres les plus influents d termin s l effet du param tre le plus influent sur la sortie tudi e est corr l au r sidu 5 La valeur de ce s dernier s est modifi e jusqu ce que le nouveau r sidu obtenu ne soit plus corr l l effet du ou des param tre s identifi s l tape pr c dente Le recours aux analyses de sensibilit et l exp rimentation permet la validation du mod le thermique E Palomo 2003 20 19 dans la t che 22 de l IEA d finit la validation de mod le avec deux tapes la v rification du mod le et le diagnostic La v rification du mod le implique de tester la performance du mod le en identifiant les diff rences significatives entre la mesure et la simulation L tape de diagnostic 68 Ti bee rite fel 00768506 version 3 2 Description
177. jouer un r le non n gligeable sur la pr diction finale et donc sur le processus de d cision Dans ces simulations on montrera qu un jeu r duit de param tres a une influence pr dominante vis vis des autres param tres et les analyses de sensibilit per mettent de les identifier Une meilleure connaissance des param tres influents per mettra une meilleure pr diction Une analyse d incertitude permet de caract riser la r ponse d un mod le dans un intervalle de confiance connaissant priori l incertitude des param tres d entr es Les analyses de sensibilit et les analyses d incertitude per mettent dans le cadre d une exp rimentation d am liorer le comportement entre le mod le et la mesure on peut alors parler de validation du mod le voir partie 3 1 F rbringer 1999 25 d finit les analyses de sensibilit comme essentielles dans le domaine de la simulation du b timent et il est n cessaire de les impl menter direc tement dans les outils Dans ces travaux afin d valuer et de hi rarchiser les incertitudes sur les r sultats des simulations en phase de conception la d marche qui a t mise en place consiste en trois tapes et a t appliqu e deux cas d tudes 1 L analyse de sensibilit locale consiste identifier parmi l ensemble des para m tres du mod le ceux qui ont une influence sur le r sultat qui nous int resse Cette m thode a t utilis e car elle est simple mettr
178. k Nearest Average Tem perature For Period Typical 10 20 10 26 Spring Week Nearest Average Tem perature For Period Typical 4 12 4 18 GROUND TEMPERATURES 3 5 2 40 1 63 3 00 5 14 10 75 15 08 tiene 4 18 00 18 89 17 3 7 14 01 9 52 5 36 2 5 24 3 87 4 15 5 29 9 04 12 43 15 15 16 60 16 29 14 39 11 29 8 01 4 7 60 6 19 5 88 6 30 8 43 10 71 12 81 14 27 14 61 13 78 1 1 97 9 75 COMMENTS 2 Ground temps produced with a standard soil diffusivity of 2 3225760E 03 m day DATA PERIODS 1 1 Data Sunday 1 1 12 31 1995 1 1 1 60 E7E7E7E7 0 74 74 74141414 20R7ETETET 0 0E7 0 0 0 4 7 3 7 93 Ligne 9 98600 0 0 285 0 0 0 0 0 0 99990 218 1 1 10 5 777 7 77777 9 9999999 0 12 0 0000 0 88 1995 1 1 2 60 E7E7E7E 70 74 74 74141414 70E7E7E7E7 0 0E7 0 0 0 4 5 3 6 94 Ligne 10 98600 0 0 285 0 0 0 0 0 0 99990 252 0 9 10 5 777 7 77777 9 9999999 0 12 0 0000 0 88 1995 1 1 3 60 E7E7E7E7 0 4 4 74141414 0E7E7E7E7 0 0E7 0 0 0 4 3 3 5 94 Ligne 11 98600 0 0 284 0 0 0 0 0 0 99990 249 0 7 10 5 777 7 77777 9 9999999 0 12 0 0000 0 88 1995 1 1 4 60 E7E7E7E7 0 4 4 74141414 0E7E7E7E7 0 0E7 0 0 0 4 2 3 4 95 Ligne 12 98600 0 0 283 0 0 0 0 0 0 99990 264 0 8 10 5 777 7 77777 9 9999999 0 12 0 0000 0 88 Table 20 Les douze premieres lignes du fichier m t o d EnergyPlus pour Cham b ry Aix les Bains Cette annexe repr sente les douze premieres lignes du fichier m t o d EnergyPlus pour la ville de Chamb ry Aix les Bains Les huit premi
179. l bee Aie fe1 00768506 version 4 2 Cas 1 Incertitude sur les besoins en chauffage et le confort dans trois b timents Correspondance des param tres ter ordre 1 debit de ventilation MB total 2 paisseur laine de verre 3 d bit d infiltration 4 coeficient de convection int rieur vertical 5 paisseur laine de verre des combles 6 albedo 7 conductivit du polystyr ne expans 8 absorptivit enduit ext rieur 9 paisseur du polystyr ne expans 10 conductivit laine de verre des combles 11 transmission du vitrage ext rieur 12 r flexion vitrage int rieur 13 conductivit laine de verre indice de sensibilit 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 param tres Figure 4 21 R sultat de l analyse de sensibilit globale pour le besoin de chauffage pour la maison RT 2005 sup rieurs aux indices du premier ordre et il y a donc de nombreuses interactions entre les 13 param tres Maison I BB figure 4 20 Comme pour la I DM Le param tre le plus influent est l efficacit de l changeur son indice total est gal 0 52 Le param tre suivant est l paisseur de la poutrelle entrevous du plancher interm diaire avec un indice total gal 0 28 Maison RT 2005 figure 4 21 Pour cette maison les indices du premier ordre sont peine inf rieurs aux indices totaux et 4 param tres sont influents dans le cas de la maison RT 2005 le d bit de ventilation l paisseur de l
180. lateforme d exp rimentation Ce or Oe ie te efficacit 09F 4 re ae ee eee ee de 0 8 01 02 05 02 09 02 13 02 17 02 21 02 25 02 Figure 2 22 Efficacit de l changeur Dans le cas de b timent faible consommation l efficacit de l changeur est toute aussi importante que l tanch it du r seau de ventilation tanch it l air du r seau a raulique Sur la figure 2 23 sont repr sent es les temp ratures des bouches de soufflage et la temp rature de l air r chauff juste apr s la r sistance Le capteur mesurant la temp rature d air neuf r chauff permet de conna tre l tat de fonctionnement de la r sistance D but f vrier la temp rature apr s la r sistance lectrique est d environ 50 C et les temp ratures de soufflage sont comprises entre 25 et 30 C Il y a un cart d environ 20 C entre la temp rature apr s la r sistance et les bouches de soufflage Une hypoth se pour cet cart est que le cap teur apr s la r sistance soit influenc par le rayonnement de la r sistance Mais cette augmentation ne peut avoir comme effet qu une variation de quelques degr s Une seconde hypoth se concerne les pertes sur le r seau Les gaines de ventilation sont des conduites rigides rectangulaires extra plates Au vu de ces r sultats l tanch it du r seau pr sente des d fauts Mais les pertes du r seau restent dans le volume chauff et il n y a donc pas de pert
181. lation car le nombre de simulation peut tre tr s variable pour obtenir un r sultat fiable A la suite d une analyse de sensibilit il est int ressant d effectuer une analyse d incertitude 1 4 2 Analyse d incertitude Une analyse d incertitude permet de caract riser la r ponse d un mod le dans un intervalle de confiance connaissant l incertitude des param tres d entr e En connais sant l incertitude associ e un param tre un chantillonnage ainsi qu une distribu tion doivent tre choisis Les techniques d chantillonnage existantes sont nombreuses 1 La m thode de Monte Carlo cr e un chantillonnage al atoire dans la plage de variation du param tre et suivant sa distribution Cette m thode est facile mettre en place mais elle a comme principal d savantage un nombre de simulation lev pour obtenir des r sultats satisfaisants 2 Les m thodes de Quasi Monte Carlo sont des versions d terministes des m thodes de Monte Carlo Ces m thodes ont une meilleure vitesse de convergence que Monte Carlo standard pour un m me nombre de points 3 L chantillonnage Latin Hypercube Sampling LHS est une technique d chan tillonnage qui permet une exploration offrant une bonne couverture de l espace des facteurs La figure 1 7 repr sente les trois techniques pour une taille d chantillonnage de 1000 pour une valeur de param tre entre 0 et 1 0 8 0 6 0 4 Valeur du param tre
182. le des planchers chaleur sp cifique de la dalle des planchers debit de ventilation conductivit de la dalle des planchers paisseur polystyr ne extrud mur ext rieur conductivit polystyr ne extrud mur ext rieur coefficient de convection int rieure vertical conductivit poutrelle entrevous du plancher interm diaire coefficient de convection int rieure plancher masse volumique du carrelage chaleur sp cifique du carrelage r partition du d bit entre les zones albedo i absorptivit enduit ext rieur 123456 7 8 9 1011 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 r flection Vitrage int rieur double c t int rieur indice de sensibilit Figure 4 11 R sultat de l analyse de sensibilit locale pour le confort d t pour le rez de chauss pour la maison I DM Pour les maisons I DM et I BB les carts entre les valeurs des indices de sensibilit sont faibles entre tous les param tres Pour les param tres influents il y a peu de diff rence entre ces deux b timents mis part l influence des isolants qui est de la laine de verre pour la I DM et du polystyr ne extrud pour la I BB Pour le cas de la maison RT2005 5 param tres ont des valeurs d indice de sensibilit lev s et le d bit de ventilation est le param tre le plus influent dans le cas cette maison En conclusion les param tres les plus influents pour le besoin de chauffage quelle que soit la maison sont ceux r
183. lement Il y a de nombreuses incertitudes sur ces mesures car la longueur de la gaine n est pas suffisante en aval et en amont des d bitm tres pour avoir une mesure fiable Des mesures ont t effectu es avec un balom tre le 2 f vrier les r sultats des mesures des d bits aux diff rentes bouches sont dans le tableau 2 1 Pour comparer les deux types de mesure on a calcul les moyennes de mesure avec les d bitm tres a ultrason de la p riode du 13 et 14 avril La consigne du d bit de 135m3 h tait la m me entre les deux p riodes La figure 2 26 repr sente le diagramme de comparaison On observe des carts non n gligeables entre les deux m thodes de mesure Par ces diff rences de r sultat on voit toute la difficult a mesurer le d bit d air 56 of Der Bite sion felO0768506 ve 2 2 La probl matique des incertitudes sur l exemple de la plateforme d exp rimentation Aspiration par ventilation air vici RDC Soufflage par ventilation air neuf RDC Soufflage par ventilation air neuf 1er Aspiration par ventilation air vici 1er D bit m h o 01 03 02 03 03 03 04 03 05 03 Figure 2 24 Mesure du d bit pour la maison I DM du 1 au 4 mars Aspiration par ventilation air vici RDC Soufflage par ventilation air neuf RDC Aspiration par ventilation air vici 1er Soufflage par ventilation air neuf 1er D bit aspir total D bit souffl total D bit m h 0 13 04
184. les et de les partager facilement voir 1 3 4 3 2 2 Validations r alis es sur l outil L outil EnergyPlus a fait l objet de nombreuses validations Le site Internet du D partement de l Energie des Etats Unis pr sente les validations de l outil Energy Plus Des comparaisons entre diff rents outils de simulation appliqu s a la mod lisation de b timent dont EnergyPlus ont t faites L utilisation de la m thode du BES TEST est la plus souvent employ e 30 La tache 34 de IEA 33 s est int ress e d velopper une m thode d analyse pour tester les outils de simulation du b timent et EnergyPlus en faisait partie L objectif de cette t che consistait garantir le fait que les outils de simulation aient t test s et valid s exp rimentalement pour le cas de b timents faible consommation nerg tique Le d partement de l nergie des tats Unis s est int ress tester l outil EnergyPlus et r diger plusieurs rapports 27 28 29 Au sein d INES une tude s est int ress e la comparaison de plu sieurs outils de simulation appliqu e la maison I DM 9 Les r sultats de l outil EnergyPlus taient coh rents avec les autres outils comme illustr figure 1 4 EnergyPlus est un outil de simulation ayant fait l objet de nombreuses validations et s applique tout fait aux b timents basse consommation Une des donn es d entr e n cessaire une simulation thermique dy
185. ltats sont trait s rapidement et sont facilement compr hensibles Plusieurs m thodes de plans d exp rience existent Certains plans consistent ana lyser un facteur la fois Cette m thode a l inconv nient de ne pas tenir compte des interactions possibles entre les facteurs La m thode des plans factoriels permet une am lioration de cette strat gie de recherche exp rimentale Cette m thode fait varier tous les facteurs la fois de fa on organis s et r fl chie On appelle niveau le nombre de valeurs attribu es chaque param tre G n ralement un plan d exp rience a deux niveaux c est dire qu il n attribue que deux valeurs chaque param tre la valeur minimum et la valeur maximum Cela permet de r duire le nombre d exp rience Les plans d exp rience les plus r pandus sont ceux construits l aide des tables de Taguchi Dans le b timent de nombreuses tudes se sont int ress es aux plans d exp riences Boulet S 2009 5 a utilis dans sa th se les plans d exp riences pour l valuation du confort hygrothermique et acoustique de l habitat dans les constructions en bois Flory Celini C 2008 24 a utilis les plans d exp rience dans sa th se pour ap porter des solutions bioclimatique aux b timents existants Les simulations ont t effectu es avec l outil TRNSYS pour deux configurations de b timents b timent collectif de 1900 et une maison individuelle de 1966 Chlela F 200
186. lyses de sensibilit Les m thodes de sensibilit locales et globales qui permettent de d terminer les effets des param tres sur la sortie du mod le L analyse d incertitude qui permet de d terminer un intervalle de confiance pour la sortie du mod le La calibration qui permet d effectuer une comparaison avec l exp rimentation et ainsi d terminer les valeurs optimales des param tres 1 4 1 1 M thode de Screening Les mod les math matiques sont souvent complexes et impliquent un grand nombre de param tres d entr e La question qui se pose est quels param tres sont r elle ment influents sur les sorties du mod le qui nous int ressent Pour identifier les param tres les plus importants parmi un grand nombre de para m tres le choix de l exp rience est essentiel Elle doit permettre avec un nombre de simulation limit d obtenir un r sultat La m thode de Screening permet d obtenir cette information Elle est peu co teuse en temps de calcul et elle est utilis e dans diff rents domaines L inconv nient de cette m thode est qu elle permet uniquement d obtenir une information qualitative sur les param tres les plus influents Les pa ram tres sont class s par ordre d importance mais cette m thode ne permet pas de quantifier l importance d un param tre par rapport un autre M D Morris 1991 46 a propos une m thode qui fait varier un param tre la fois Elle permet de clas
187. m Platre 1 3 cm Plancher Bas revetement 0 4 cm Chape 5 cm Dalle 20 cm Polystyr ne extrud 10 cm Double vitrage Vide Sanitaire Figure 4 1 Enveloppe de la maison RT 2005 par un syst me de ventilation simple flux avec un d bit gal 0 6V h La figure 4 1 repr sente les principaux mat riaux utilis s pour la maison RT 2005 4 2 1 2 Sc narios Nous avons consid r des profils fixes de charges internes pour les trois b timents correspondant une famille de 4 personnes ayant des appareils conomes en nergie Le tableau 4 1 repr sente les charges internes dues l lectrom nager et la figure 4 2 repr sente le sc nario de puissance dissip e en fonction de l heure et de la journ e de la semaine Le tableau 4 2 repr sente les puissances dissip es par les occupants et la figure 4 3 repr sente le sc nario d occupation quipement Eu lectrom nager cuisine matin th midi et soir lectrom nager cuisine journ e 1000 1h midi et soir 500 LE at Tico Table 4 1 Tableau des charges internes dues l lectrom nager 100 aA Men Aa tel 00768506 version 4 2 Cas 1 Incertitude sur les besoins en chauffage et le confort dans trois b timents Lundi et Mercredi Mardi et Jeudi A o 1200 a 800 A 3 3 2 400 2 a a Sh 3h 6h Qh 12h 15h 18h 21h h 3h 6h 9h 12h 15h 18h 21h Vendredi Samedi 1600 2 o OO ee Masta a eus 800
188. m re compos d un circuit int gr capable de mesurer la temp rature et l humidit relative Son faible encombrement permet de l introduire dans les mat riaux pour faire des mesures localis es Pour chaque niveau et fa ade un parpaing se retire permettant d acc der aux capteurs qui sont implant s dans l isolant 0 3 9 15 et 18 centim tres ils mesurent la tem p rature et l humidit L incertitude pour la valeur de l humidit est de 6 0 HR de 0 0 100 0 HR pour une temp rature voluant entre 10 et 50 C et pour la mesure de la temp rature l incertitude est de 1 2 C Dans ce paragraphe on a list l ensemble des types de capteurs pr sents dans les maisons qui permettent de suivre le comportement thermique des maisons Les ques tions auxquelles on va essayer de r pondre maintenant sont les suivantes quels sont les r sultats de mesure des maisons durant une p riode d finie Les mesures sont elles fiables Le niveau d instrumentation des maisons permet il de d finir une plage d incertitude des mesures permettant de pouvoir effectuer la comparaison avec la pr vision 2 2 La probl matique des incertitudes sur l exemple de la plateforme d exp rimentation L tude des r sultats de la m trologie permet d analyser le comportement thermique des maisons I DM et I BB La coh rence des r sultats des mesures entre les maisons I DM et I BB prouve la bonne valeur qualitative des mesures Les
189. mbles mesure et simulation T mp rature C 27 02 28 02 01 03 02 03 03 03 04 03 05 03 06 03 07 03 08 03 09 03 10 03 b R sidu Figure 3 11 Comparaison entre la mesure et la simulation pour la temp rature d air des combles Les combles Nous savons que le d bit de renouvellement d air influe beaucoup sur la temp rature d air des combles il a t estim gal 2V h La figure 3 11a repr sente la comparaison entre la mesure et la simulation pour la temp rature d air des combles et la temp rature ext rieure du 27 f vrier au 9 mars et la figure 3 11b repr sente le r sidu Sur la figure 3 11a on observe que la simulation a la m me tendance que la mesure mais les pics de temp rature au cours de la journ e sont plus marqu s Le r sidu diminue jusqu 5 C Comme pour le vide sanitaire les combles sont une zone non chauff e et pour affirmer que la temp rature d air des combles est non influente sur la temp rature d air de l tage une simulation a t effectu e en consid rant un renouvellement d air de 10V h Cette augmentation de d bit a eu comme effet que la temp rature des combles diminuait durant la journ e avec des diff rences allant jusqu plus de 5 C tandis que la diff rence pour la temp rature d air de l tage tait tr s faible inf rieure 0 02 C On peut conclure qu une variation de la temp rature des combles de l ordre de 2 C est non influente sur la temp rat
190. minu e et volets ferm s toute la journ e A partir du 14 f vrier il y a une diff rence de temp rature de pr s de 1 C entre la mesure 0 1m du sol et celle 1 70m Pour la semaine en mars un gradient de temp rature de 1 C est observ en milieu de journ e pour les journ es du 23 au 26 mars La plage d incertitude de la mesure du gradient thermique est de 1 C entre le sol et le plafond Les diff rents gradients thermiques tudi s sont dus au mouvement d air Un sys t me de ventilation m canique double flux est install dans les maisons INCAS et permet galement le chauffage gr ce une r sistance lectrique positionn e apr s l changeur Ce syst me peut tre l origine des gradients thermiques dans les mai sons On va maintenant s int resser aux incertitudes concernant les sollicitations 49 of Der Bite fel 00768506 version CHAPITRE 2 La probl matique des incertitudes en regard d une plateforme d exp rimentation 26r jour Z 0 10m 25 S jour Z 1 10m 5 S jour Z 1 70m D 24 T 23 2 T oO T 5 E 5 e p p gt y 20 H 3 5 3 3 5 5 5 3 19 i Pi H i H 4 M 1402 12102 13 02 1410F 16 02 16 02 17 02 18 02 19 02 20 02 21 02 20 03 21 03 22 03 23 03 24 03 25 03 26 03 27 03 28 03 29 03 30 03 Hors gel I Normal a Gradient du 11 au 21 f vrier 2011 b Gradient du 20 au 30 mars 2011 30 rayonnement diffus 2000 rayonnement direct rayonnement di
191. n naturelle th se de L Stephan 2010 58 de l inertie th se de L Chahwane 2011 12 et du confort d t dans des b timents faible inertie th se d A Brun 2011 8 Il s agit d un excellent solveur d quations non lin aire permettant de r soudre tous types de probl mes num riques qui n a pas fait 7 LBNL Lawrence Berkeley National Laboratory 8 LEBTIAB Laboratoire d Etude des Ph nom nes de Transfert de de l Instantan it 9 LOCIE Laboratoire d Optimisation et de la Conception et Ing nierie de l Environnement 13 dm en fel 00768506 version CHAPITRE 1 Le monde incertain de la simulation du batiment l objet de campagne de validation sur le terrain ce qui en fait davantage un outil acad mique 1 3 4 2 Outils utilis s au niveau international PHPP est d velopp par le Passivhaus Institut Darmstadt en Allemagne Il utilise l outil Excel dans lequel on renseigne les donn es du b timent Il emploie une m thode de calcul statique bas e sur un bilan nerg tique mensuel bas sur les normes europ ennes notamment PEN 13829 I permet d obtenir les besoins de chauffage les besoins de climatisation la puissance de chauffage et de refroidissement et le besoin en nergie primaire ainsi qu une tendance pour le nombre d heures d inconfort en p riode estivale Cet outil est principalement utilis en Allemagne il sert de base pour l attribution du label PassivHaus
192. nalyses de sensibilit existent et dans cette tude trois ont t utilis es l analyse de sensibilit locale l analyse d incertitude l analyse de sensibilit globale L analyse de sensibilit locale a permis d identifier un nombre restreint de param tres environ 10 sur la totalit des param tres utilis s dans la simulation environ 140 param tres Cette analyse utilise la m thode de perturbation d un param tre la fois Un indice de sensibilit r duit est obtenu et permet de classer les param tres par ordre d influence L analyse de sensibilit globale permet d identifier les effets des param tres sur les sorties du mod le num rique en tenant compte des incertitudes des param tres Les analyses de sensibilit globale utilisant la m thode de FAST ou de Sobol ont t utilis es Ces analyses demandent un grand nombre de simulations avec un nombre restreint de param tres L analyse d incertitude permet d identifier une plage d incertitude Pour le besoin de chauffage les param tres influents sont identiques pour les maisons I DM et I BB malgr la diff rence des modes constructifs L efficacit de l changeur le d bit d infiltration et le d bit de ventilation sont les param tres les plus influents Pour la I DM Visolant constitu de laine de verre avec son paisseur est un para 143 dm en fel 00768506 version CHAPITRE 4 Simulations et tude des param tres influents des mai
193. namique est un fichier m t o complet 3 2 3 Pr sentation du fichier m t o d EnergyPlus Nous avons pu mettre en vidence dans le premier chapitre l importance des condi tions m t orologiques sur les diff rences entre les calculs r alis s en amont de la conception les consommations r elles et l incertitude g n r e par celles ci Dans le cadre d une comparaison avec des mesures exp rimentales la cr ation du fichier m t orologique est une tape cl du processus pour ma triser au mieux les incertitudes 3 CVC Chauffage Ventilation Climatisation 4 NREL National Renewable Energy Laboratory 5 http appsi eere energy gov buildings energyplus energyplus_testing cfm 71 dm en fel 00768506 version CHAPITRE 3 La validation des mod les num riques des maisons INCAS qui lui sont li es Pour effectuer une simulation en r gime dynamique il est n cessaire d avoir un fichier m t o du lieu concern avec un pas de temps horaire au minimum Le pas de temps du fichier utilis aura un impact sur les r sultats de la simulation et doit tre coh rent avec le pas de temps de la simulation La p riode du fichier peut varier mais si l tude porte sur la p riode annuelle le fichier m t o doit contenir un an de donn es Les principales donn es n cessaires pour la simulation sont 14 temp rature s che ext rieur C temp rature du point de ros e C vitesse du vent m s
194. nce vont rendre la construction plus d licate et accentuer l importance de la phase de conception Ainsi le recours la simulation lors de la conception de b timents neufs ou la r habilitation de b timents existants va devenir indispensable pour pr voir leurs consommations nerg tiques Par ailleurs les exigences de pr cision des calculs sont accrues et il devient essentiel d appr cier les incertitudes associ es ces pr visions afin d am liorer le processus de conception De plus savoir valuer les incertitudes de mesure est indispensable pour permettre un diagnostic nerg tique pr cis Dans ce manuscrit nous avons exploit la plateforme exp rimentale INCAS situ e VINES au Bourget du Lac pour iden tifier les incertitudes de mesure mais aussi les incertitudes dont les hypoth ses de mod lisation font l objet Puis une m thodologie a t propos e permettant d iden tifier les param tres de conception les plus influents sur la performance nerg tique d un b timent et de rendre compte des effets de l incertitude associ e ces para m tres sur cette m me performance Le premier chapitre met en avant la question de la fiabilit des outils de simulation Un nombre important d outils de simulation permet d am liorer les performances nerg tiques des b timents que ce soit en phase de conception ou de r habilita 1 Donn es provenant du rapport de lADEME Chiffres Cl s du B timent Edition 2010 2
195. ncher bas chaleur sp cifique de la chape masse volumique de la chape paisseur de la chape paisseur du parpaing masse volumique du parpaing chaleur sp cifique du parpaing coefficient de convection int rieure vertical indice de sensibilit 4 1 1 1 1 1 1 i 1 1 i 1 1 05 02 08 02 11 02 14 02 17 02 20 02 23 02 a RDC resistance lectrique efficacit de l changeur paisseur de la laine de verre conductivit de la laine de verre transmission du vitrage ext rieur double infiltration gains internes RDC masse volumique de la dalle des planchers chaleur sp cifique de la dalle des planchers masse volumique du parpaing chaleur sp cifique du parpaing paisseur Parpaing chaleur sp cifique de la chape masse volumique de la chape coefficient de convection int rieure vertical paisseur dalle du plancher bas indice de sensibilit a A ae ae e e E e SOS OR 05 02 08 02 11 02 14 02 17 02 20 02 23 02 b tage Figure 4 24 R sultat de l analyse de sensibilit locale pour la maison I DM pour la temp rature d air du RDC et de l tage du 5 au 24 f vrier 2011 130 dm en fe1 00768506 version 4 3 Cas 2 Incertitudes associ es aux temp ratures d air int rieur 5 la masse volumique de la chape 6 l paisseur de la chape 7 l paisseur du parpaing
196. nd to weather conditions Keyword uncertainty reliability simulation low energy building sensitivity analysis influential parameter vil DAME w te 68506 version tel 007 Tables des mati res Remerciements iii R sum v Abstract vii Tables des mati res xi Nomenclature xiii Table des figures xix Liste des tableaux xxii Introduction xxiii 1 Le monde incertain de la simulation du b timent 1 1 1 Les enjeux de l utilisation de la simulation thermique dynamique 2 1 2 La probl matique de la garantie de performance 2 1 3 La probl matique de la fiabilit des outils de simulation 7 1 3 1 Identification et caract risation des sources potentielles de biais et d incertitude cn eee hd anro ER TR EER RES 7 1 3 2 Les outils de simulation sont ils fiables 7 1 3 3 Les incertitudes dans la mod lisation des b timents faible consommation nerg tique 9 1 3 4 Les outils de simulation et b timent faible consommation CABREL PSS RSS NS bee 2 ees 12 1 3 4 1 Outils utilis s au niveau national 12 1 3 4 2 Outils utilis s au niveau international 14 1 4 Etat de l art des m thodes d analyses de sensibilit 16 1 4 1 Description des m thodes d analyse de sensibilit 16 1 4 1 1 M thode de Screening 17 ix dE IN fel 00768506 version 1 4 1 2 Analyse
197. nduit ext 0 5 normale 10 a rieur ae Rca ae TI Table 4 5 Tableau des param tres et plage de variation pour la maison RT 2005 116 dE 68506 version tel 007 4 2 Cas 1 Incertitude sur les besoins en chauffage et le confort dans trois batiments Cr ation de la matrice N xp Calcul des incertitudes Cr ation du i me fichier d entr e Logiciel Matlab Simulation Copie fichier de i r sultat Logiciel EnergyPlus pour i 1 N N nombre de l chantillon Figure 4 15 tape pour obtenir les r sultats de l analyse d incertitude 4 2 3 3 Mise en place des s ries de simulations Comme pour l analyse de sensibilit locale analyse d incertitude effectue les si mulations en s rie gr ce au couplage entre Matlab et EnergyPlus Cinq tapes sont n cessaires pour obtenir le r sultat de l analyse d incertitude La figure 4 15 pr sente le couplage et les 5 tapes n cessaires 1 Cr ation de la matrice N x p N lignes et p colonnes chaque colonne de la matrice correspond l chantillonnage de chaque param tre en fonction de son incertitude et N est gal au nombre de simulations prises en compte dans l analyse d incertitude Cr ation du fichier d entr e pour chaque ligne de la matrice N x p un fichier EnergyPlus est cr Simulation EnergyPlus effectue la simulation en consid rant le fichier idf cr l tape 2 R cup ration des r
198. nneaux s engagent produire une certaine quantit d nergie et ce n est pas dans leur int r t de surestimer la production Capteurs plans Sur chaque maison des capteurs plans sont install s Sur la mai son I DM il s agit du mod le BLOCSOL ECS 400 fourni par le fabricant fran ais CLIPSOL compos de 8m de panneaux solaires thermiques plans vitr s dont 4m pour le chauffage Sur la maison I BB on a dispos 3 m surface des absorbeurs de capteurs tubes sous vide install s verticalement sur le balcon au sud le mod le est Vitosol 200 T fabriqu par CLIPSOL Pour permettre le suivi nerg tique dans le temps de la plateforme d exp rimenta tion une instrumentation sp cifique a t install e sur le site de VINES qui va faire l objet du paragraphe suivant 2 1 3 Description de l exp rimentation mise en place Cette partie traite de l instrumentation mise en place sur le site de VINES Pour reproduire le comportement des maisons dans les codes de simulation une station m t o permet de suivre l volution du climat et de nombreux capteurs sont install s dans les maisons environ 150 dans la I DM et 100 dans la I BB 37 DE eiie fe1 00768506 version CHAPITRE 2 La probl matique des incertitudes en regard d une plateforme d exp rimentation Station surla Figure 2 8 Site d INES et positionnement des stations m t o photo richard balloide photo com a Station sur la
199. nsibilit appliqu es au domaine du b timent sera d crit 12 Computational fluid dynamics 15 DAME Ne fe1 00768506 version CHAPITRE 1 Le monde incertain de la simulation du batiment 1 4 Etat de l art des m thodes d analyses de sen sibilit 1 4 1 Description des m thodes d analyse de sensibilit Nous allons pr senter les m thodes d analyse de sensibilit les plus utilis es Nous supposerons que le mod le tudi peut se mettre sous la forme Y f x1 22 En f z 1 2 y est la sortie du mod le et x x1 2 8n est l ensemble des param tres consi d r s du mod le Les analyses de sensibilit sont des m thodes permettant d observer la contribution des param tres d entr e d un mod le la variation des sorties du mod le Ce sont des m thodes tr s importantes dans des travaux d laboration de mod le num rique ou non dans l interpr tation de leurs r sultats et dans le cadre de leur validation L analyse de sensibilit est une discipline part enti re de la statistique L analyse de sensibilit permet de d terminer Les param tres ayant une forte influence sur la sortie du mod le Cette information permet de savoir si la mod lisation refl te correctement le mod le physique Si l analyse d termine qu un param tre connu comme non influent a une importance forte la mod lisation ne repr sentera pas fid lement le mod le il faudra alors modif
200. ntre les pi ces difficilement mesurables Le fait de ne consi d rer qu une seule zone par niveau permet de s affranchir des incertitudes des d bits d air transf r s entre zones pi ces On a observ dans le chapitre 2 une diff rence notable de temp rature entre le RDC et tage La mod lisation du RDC et l tage comme une seule zone ne consid re pas l cart de temp rature mais permet de s affranchir de l incertitude des mouvements d air entre les deux niveaux Dans notre cas nous avons pr f r mod liser une zone par niveau et consid rer un transfert d air entre le RDC et l tage Cette hypoth se a l avantage de r duire le temps de simulation par rapport l hypoth se consid rant une zone gale une pi ce Dimension de la maison Les outils de simulation dynamique comme Energy Plus Trnsys et Comfe Pl iade ne prennent pas en compte l paisseur des parois Le choix de la dimension du mod le num rique implique des erreurs Si c est la 73 dm en fel 00768506 version CHAPITRE 3 La validation des mod les num riques des maisons INCAS dimension des murs ext rieurs qui est choisie le volume chauff sera nettement su p rieur la r alit surtout dans le cas des maisons INCAS ayant une paisseur de mur sup rieure 40 cm Si c est la dimension des murs int rieurs qui est choisie la surface de d perdition sera inf rieure la r alit Le choix s est alors port sur l
201. od le num rique aucune gestion de ventilation naturelle n est consid r e La figure 4 5 pr sente la temp rature int rieure au RDC de la maison I DM la temp rature ext rieure et les charges internes d gag es au RDC durant 7 jours en t On observe que la temp rature int rieure des maisons ne d passe jamais 28 C et en moyenne la temp rature est de 26 C alors que la temp rature ext rieure est inf rieure a 20 C la nuit Par une gestion optimis e des ouvrants la nuit le d bit de ventilation naturelle serait suffisant pour refroidir la maison afin de permettre une am lioration du niveau de confort La mod lisation de la ventilation naturelle reste tr s d licate et n a pas t prise en compte dans ces travaux 102 of Wag ewe fel 00768506 version 4 2 Cas 1 Incertitude sur les besoins en chauffage et le confort dans trois batiments EDM EBB RT 2005 Besoin de chauffage kWh m an degr heure d inconfort h Nombre d heure d inconfort h HE Besoin de chauffage kWh m2 an Nombre d heure d inconfort h KWh m2 an ou h I DM I BB RT 2005 Figure 4 4 R sultats de simulations pour les 3 maisons tudi es besoin de chauffage et nombre d heure d inconfort temp rature ext rieure temp rature d air DM RDC Pen Charges internes Temperature C Puissance W Figure 4 5 Temp rature int rieure au RDC de la maison I D
202. od lisation plusieurs tapes sont n cessaires pour obtenir un r sultat L objet technologique est remplac par un mod le th orique puis math matique ensuite num rique et enfin algorithmique informatique Lors de ces trans formations de nombreuses simplifications approximations hypoth ses sont faites et ces choix peuvent engendrer des biais dans le mod le Ceux qui proviennent des mondes math matique num rique et algorithmique sont souvent bien ma tris s et faciles d celer valuer et corriger Par contre les simplifications qui s op rent l int rieur des mondes technologiques ex simpli fication de la g om trie zonage et physiques ph nom nes n glig s simplification des lois de transferts descriptions empiriques qui induisent souvent les biais les plus importants posent des probl mes d identification et d valuation Pour ce qui est des incertitudes il convient de s parer celles qui sont associ es des mesures caract re al atoire et facilement valuables de celles qui refl tent une connaissance imparfaite ou incompl te de l objet et dont l appr ciation ne peut tre que de nature subjective Ces derni res peuvent appara tre au niveau des param tres invariables au cours de la simulation ex propri t s physiques des mat riaux co efficients d change etc des conditions aux limites et des sollicitations m t orolo giques des charges internes du comportement d
203. ode du 1 janvier au 31 d cembre pendant deux ann es cons cutives On a appel 1 ann e et 2 ann e les r sultats respectifs de la premi re p riode de simulation et de la r p tition Du 15 mai au 14 octobre les volets se ferment lorsque le rayonnement horizontal d passe 300W m Du 15 septembre au 14 mai le d bit de ventilation est de 0 125V h c est un d bit de renouvellement d air quivalent du point de vue nerg tique une ventilation double flux et du 15 mai au 14 septembre le d bit de ventilation est de 0 6V h La valeur de la convergence est de 0 001 et le nombre maximum de jour de r p tition est de 100 Les simulations sont effectu es avec le fichier m t o annuel de Chamb ry fourni par d faut Nous avons consid r les configurations suivantes 1 Premi re configuration la temp rature de consigne du chauffage est de 19 C 2 Seconde configuration aucun syst me de chauffage n a t mod lis La figure 3 5 repr sente les r sultats pour la premi re configuration avec une tem p rature de consigne de 19 C La figure 3 5a repr sente la temp rature d air de la 1 et de la 2 ann e et on observe la phase d initialisation courbe rouge et trait continu pour la journ e du 1 janvier Il n y a aucun cart entre les r sultats de la 1 re et de la 2 me ann e et le premier jour de simulation le 1 janvier a t r p t 25 fois figure 3 5b La figure 3 6 repr sente
204. on Simulation Transfer Condition l Update Calculation Results SE Figure 3 2 EnergyPlus extrait du manuel d utilisateur d EnergyPlus 4 ment avec une nouvelle version disponible tous les 6 mois Il peut tre utilis par des ing nieurs des architectes et des chercheurs et c est le d partement de l nergie des tats Unis DOE qui finance cet outil le LBNL coordonnant le d veloppement Il est disponible librement sur le site du d partement de l nergie EnergyPlus permet de mod liser le chauffage le refroidissement l clairage la venti lation et de nombreux autres flux d nergie Il permet d effectuer les simulations un pas de temps inf rieur l heure de mod liser des syst mes nerg tiques complexes d analyser le confort thermique de traiter du multizone de g rer la ventilation na turelle et il peut tre coupl d autres outils comme WINDOW5 ou Dymola EnergyPlus est uniquement un moteur de calcul sans interface graphique conviviale Des outils se sont d velopp s utilisant le moteur de calcul d EnergyPlus mais avec leur propre interface graphique comme par exemple l outil DesignBuilder Design Builder permet la saisie graphique d un mod le la gestion de ses bases de donn es mat riaux vitres plannings d activit etc et g re de fa on transparente la liaison au moteur de calcul jusqu la restitution des r sultats sous forme graphique ou tableur
205. on des temp ratures d air dans les zones thermiques les sc narios la constante de temps du b timent Valeur du coefficient de convergence La valeur du nombre de r p titions du premier jour de simulation est influenc e par la valeur de la convergence Plus la convergence est faible plus le nombre de jours de r p tition sera lev Pour obser ver l effet de ce param tre sur les r sultats plusieurs simulations ont t r alis es en modifiant sa valeur Pour illustrer ceci la maison I DM a t simul e en volution libre avec les volets ferm s tout au long de l ann e La simulation d bute le 1 janvier et a t r p t e une fois avec un nombre maximal de jours de r p tition de 100 On observe sur la figure 3 7 les r sultats de la temp rature d air du RDC pour les trois valeurs de convergence diff rentes ainsi que les r sultats de la temp rature d air pour l ann e 2 c est dire la r p tition de la p riode de simulation La figure 3 7 montre l influence de la convergence sur le nombre de jour de r p tition du ler janvier Pour une valeur de convergence de 0 01 le premier jour est r p t 12 fois tandis que pour une valeur de convergence de 0 001 il est r p t plus de 50 fois Sur la figure 3 7 on remarque qu il est inutile de mettre une valeur de convergence tr s faible comme 10 car les carts de r sultats avec une valeur de convergence de 0 001 sont tr s faibles or plus la convergenc
206. ondamn es car il n tait pas possible de mesurer le d bit aspir dans ces gaines La figure 2 20 repr sente le sch ma de l changeur et la figure 2 21 pr sente les temp ratures d air au niveau des deux entr es et deux sorties de l changeur L aspi ration par ventilation de l air neuf correspond la temp rature ext rieure point 3 et l aspiration par ventilation d air vici correspond la temp rature int rieure des maisons point 5 Le soufflage par ventilation air neuf correspond lair r chauff gr ce l changeur point 2 Il y a tr s peu d cart de temp rature entre l aspiration air vici et le soufflage air neuf ce qui d montre un rendement lev de l changeur Avec ces mesures on peut d terminer l efficacit de l changeur L efficacit d un changeur se d finit comme le rapport du flux effectivement trans f r dans l changeur au flux de chaleur maximal qui serait transf r dans les condi tions de temp rature d entr e des deux fluides dans un changeur tubulaire de lon gueur infinie fonctionnant contre courant a Pmax n 2 2 Dans notre cas on a g mCP an T gt T3 Pmar MCD av T5 T 52 DEN Ne fel 00768506 version 2 2 La probl matique des incertitudes sur l exemple de la plateforme d exp rimentation
207. ons dans le temps des appareils de mesure ont t install s sur le site dans les maisons mais aussi l ext rieur afin de conna tre les sollicitations cli matiques Nous avons vu que de nombreux appareils de mesure suivent l volution du climat thermom tre an mom tre pyranom tre pyrh liom tre pyrg om tre alb dome tre Des dispositifs ont t utilis s afin de mesurer le rayonnement diffus de fa on directe par le biais d un pyranom tre compl t d un anneau ou bien indi rectement par les mesures du rayonnement global et direct et des carts de l ordre de 20 ont t observ s ce pour une grandeur dont le r le est pr pond rant d s qu il s agit de mod liser un b timent solaire A l aide des diff rents points de mesure on a pu identifier diff rentes sources d incertitudes sur les champs de temp rature sur les sollicitations ext rieures et sur la distribution a raulique Les deux b timents tudi s ont des modes constructifs diff rents mais leurs r ponses thermiques sont semblables faces aux sollicitations du rayonnement solaire Par contre on a observ des carts de comportement entre les deux b timents dus aux r sistances lectriques qui permettent de r guler la temp rature d air Les r sis tances comportent des diff rences de fabrication et leurs mesures de puissance sont soumises aux incertitudes de pr cision du capteur ce qui explique les diff rences sur les puissan
208. ou une mauvaise r partition des d bits a rauliques entre les deux tages Dans les maisons toutes les portes int rieures taient ouvertes et l air circule par la cage d escalier entre le RDC et l tage De nombreux travaux ont port sur la 47 of Der Bite sion tel 00768306 ve CHAPITRE 2 La probl matique des incertitudes en regard d une plateforme d exp rimentation 24 22 D 20 2 2 a 5 Qa o 2 BB Repas DM Chambre 2 BB Chambre 2 12 z 7 gt 14 02 16 02 18 02 20 02 22 02 24 02 26 02 28 02 02 03 04 03 a Temp ratures I DM et I BB 1 4 1 2b x 0 8 o S 306 amp 0 4 0 2 0 x 4 r i A 2 n x a 14 02 16 02 18 02 20 02 22 02 24 02 26 02 28 02 02 03 04 03 c Puissance de chauffage 20 rayonnement direct rayonnement global 157 temp rature ext rieure piain E N BE o o o o Temperature C o i 20 M E M 0 14 02 16 02 18 02 20 02 22 02 24 02 26 02 28 02 02 03 04 03 b Conditions m t orologiques D bit de ventilation 14 02 16 02 18 02 20 02 22 02 24 02 26 02 28 02 02 03 04 03 Temp rature de consigne Position des volets ferm ouver LELEL EL EL EL EL ET LL ET EL ET EL ET EX ET EI 14 02 16 02 18 02 20 02 22 02 24 02 26 02 28 02 02 03 04 03 d Sc nario ravonnement W m 1 Figure 2 16 Temp rature d air dans les maisons
209. out au long de la dur e de vie du b timent Une autre variabilit pos sible sur la pr vision des consommations r elles qu on va regarder maintenant plus en d tail est le choix du fichier des donn es climatiques L emploi d outils de simulation dynamiques requiert l utilisation de sollicitations climatiques en entr e du mod le obtenues partir des donn es m t orologiques horaires de la station la plus proche 3 DEN Ne fe1 00768506 version d CHAPITRE 1 Le monde incertain de la simulation du batiment a i Phase conception th orique EM Phase occupation mesures a A Ratio nerg tique kWh m an N wo Chauffage Froid Ventilation Auxiliaires Ascenseur Eclairage bureautique Figure 1 2 Consommation et production de la tour Elithis conception occu pation Source A Lenoir 2010 35 du batiment nouvellement construit L outil le plus connu en Europe fournissant des donn es climatiques est Meteonorm Il contient les bases de donn es m t orologiques de plus de 7700 stations et des al gorithmes permettant de cr er partir des valeurs mesur es des fichiers m t o de n importe quel endroit sur le globe Pour l outil de simulation EnergyPlus les fichiers m t o sont disponibles librement sur le site Internet du d partement de l nergie des tats Unis ces donn es provenant de l organisation m t orologique mondiale Un
210. outrelle entrevous du plancher interm diaire Figure 4 9 R sultat de l analyse de sensibilit locale pour le besoin de chauffage pour la maison I BB indice de sensibilit 123 4 5 6 7 8 9 1011 12 13 14 15 16 17 18 19 20 212223242526 L26 paisseur du platre d bit de ventilation conductivit laine de verre paisseur laine de verre transmission du vitrage ext rieur double infiltration r flection du vitrage int rieur double c t int rieur conductivit du polystyr ne expans paisseur du polystyr ne expans conductivit de laine de verre des combles paisseur laine de verre des combles coefficient de convection int rieure vertical absorptivit enduit ext rieur albedo paisseur parpaing conductivit parpaing conductivit du cadre des fen tres emissivit enduit ext rieur transmission Vitrage int rieur double coefficient de convection ext rieure coefficient de convection int rieure plancher paisseur structure porteuse bois conductivit structure porteuse bois r flection du vitrage ext rieur double c t int rieur infra rouge vitrage int rieur double c t int rieur angle du b timent par rapport au nord Figure 4 10 R sultat de l analyse de sensibilit locale pour le besoin de chauffage pour la maison RT2005 107 Ti eerie fe1 00768506 version CHAPITRE 4 Simulations et
211. plages d incertitudes qui sont le d bit d infiltration l paisseur de la laine de verre l efficacit de l changeur les gains internes du RDC la conductivit de la laine de verre et la r sistance lectrique A partir du 21 f vrier les indices de sensibilit sont biais s car la temp rature respecte la consigne de chauffage Deux sc narios distincts caract risaient cette p riode le sc nario hors gel et le sc nario dit normal Durant ces deux sc narios six param tres sont influents mais en fonction du sc nario les indices de sensibilit du premier ordre n ont pas les m mes tendances Les indices de sensibilit du premier ordre varient en fonction de la variation de la temp rature d air mais la somme des indices de sensibilit reste constante du 5 au 21 f vrier Les incertitudes de ces six param tres sont responsables de la majeure partie des incertitudes sur la temp rature d air pour le cas de la maison I DM et selon le sc nario du mois de f vrier 4 4 Conclusion Dans le cadre de ces travaux les param tres influents sur le besoin de chauffage de trois b timents la maison I DM la maison I BB et une maison RT2005 ainsi que la temp rature d air de la maison I DM ont t tudi s l aide des analyses de sensibilit Les analyses de sensibilit sont des m thodes permettant d observer la contribution des param tres d entr es d un mod le la variation des sorties du mod le Diff rentes a
212. plate forme b Station Vantage Pro sur le lam padaire devant INES Figure 2 9 Les stations m t o d INES 2 1 3 1 Les stations m t o Il est important de conna tre les conditions m t o auxquelles le b timent est sou mis Kr gera et al 2008 34 montrent dans une tude l influence des r sultats de simulation avec des donn es m t o du site voisin Pour pallier aux d savantages de telles donn es et conna tre au mieux les ph nom nes m t orologiques locaux plu sieurs appareils de mesure sont impl ment s sur le site de VINES sur le lampadaire de l avenue du lac L man en face du b timent Lynx 3 et sur la plate forme des b ti ments Puma 2 et 3 Les figure 2 8 et 2 9 repr sentent le site de VINES avec les deux stations m t o Pour la station sur la plate forme des l ments environnants comme la chemin e r fl chissante et les armatures en inox perturbent les mesures Certains appareils sont doubl s et situ s sur les deux stations permettant une comparaison entre les deux syst mes de mesure La station Vantage Pro est plac e sur le lampadaire devant les b timents d INES figure 2 9b et permet plusieurs mesures m t orologiques de temp rature d humi dit de pression de vitesse d air et de pluviom trie La temp rature ext rieure est mesur e l aide d une sonde plac e dans une coque en plastique ventil e naturelle ment pour viter que le rayonnement solaire direct ne perturbe les me
213. ple vitrage Plancher Bas Carrelage 1 cm Chape 8cm Dalle 16 cm Sanitaire Polystyr ne extrud 20 cm Figure 2 5 Principaux mat riaux utilis s dans l enveloppe de la maison exp ri mentale I DM Au niveau des menuiseries Les deux maisons sont identiques Les menuiseries ont des cadres en PVC dont le coefficient de d perdition thermique gal 1 45 W m K Les fa ades Sud Est et Ouest poss dent des doubles vitrages 4 16 4 faibles missivit s avec remplissage en argon Ces vitrages ont un coefficient de d perdition thermique gal 1 1 W m K et un facteur solaire annonc de 0 6 La fa ade nord est quip e par des triples vitrages 4 12 4 12 4 faible missivit avec remplissage en argon Ces vitrages ont un coefficient de d perdition thermique gal 0 7 W m K et un facteur solaire gal 0 45 Les propri t s physiques des menui series dont les incertitudes sont limit es sont donn es en annexe E 39 21 Der 2012 fe1 00768506 version CHAPITRE 2 La probl matique des incertitudes en regard d une plateforme d exp rimentation EXTERIEUR VIDE SANITAIRE FONDATION Figure 2 6 Liaison plancher bas mur ext rieur de la maison I BB Plancher Haut Laine de verre 40 cm Pl tre 1cm Plancher Interm diaire Carrelage 1 cm Chape 8cm Dalle 4 cm Poutrelle entrevous 16 cm Mur ext rieur Combles Enduit ext rieur 1 cm E Polystyr ne ex
214. pr sente la p riode du 23 au 28 mars Durant cette p riode la maison I DM est en sc nario normal et la temp rature de la maison est en volution libre sup rieure la 88 oh Wag AD fel 00768506 version Temp rature C oo Incertitude mesure Simulation Dos ne D N Temp rature C a BNA NS 11 x P M P 11 02 12 02 13 02 14 02 15 02 16 02 17 02 a Temp rature d air RDC 1 5 x x p x 11 02 12 02 13 02 14 02 15 02 16 02 17 02 c R sidu Temperature C 3 4 Confrontation entre mod le et exp rimentation Incertitude mesure 18f Simulation RO 15F Temp rature C 11 n M W 11 02 12 02 13 02 14 02 15 02 16 02 17 02 b Temp rature d air tage rayonnement direct rayonnement global temp rature ext rieure 20 i 11 02 12 02 13 02 14 02 15 02 16 02 17 02 d M t o rayonnement W m Figure 3 14 Comparaison entre la simulation et une plage d incertitude de la mesure de la temp rature d air du RDC et de l tage r sidu du RDC et de l tage et conditions m t orologiques pour la maison I DM du 11 au 17 f vrier 2011 89 oh Wag eit 100 felO0768506 ve CHAPITRE 3 La validation des mod les num riques des maisons INCAS 25 25 Incertitude mesure Simulation 24f 24h a aea magone ene s 23 5 23 3 E o 5 227 5 22 5 8 ap 8 2af
215. pt et permettra de comparer les r sultats de mod lisation du moindre composant du syst me avec les r sultats de mesure On pr sentera les outils les plus utilis es en France dans le monde et aussi ceux ayant un fort d veloppement possible dans les prochaines ann es Les outils s lectionn s selon ces crit res sont leur utilisation au niveau national Comfie ArchiWizard CoDyBa et Spark leur utilisation au niveau international PHPP EnergyPlus Virtual environment Trnsys Esp r Matlab Simulink leur fort d veloppement possible le langage Modelica avec l outil Dymola 1 3 4 1 Outils utilis s au niveau national ArchiWizard a t d velopp gr ce au rapprochement technologique des soci t s HPC SA et TBC dans le cadre du Grenelle de l environnement de la probl matique du B timent conome et de la RT 2012 qui tracent la voie vers des b timents nergie positive Il permet le calcul des besoins nerg tiques mais aussi des besoins d clairage Son module de calcul est bas sur le lancer de rayon Il int gre un mo dule de calcul RT2012 permettant de v rifier la conformit r glementaire Il s appuie sur un excellent design graphique et n a pour finalit que de proposer des orienta tions tr s en amont de la conception ArchiWizard a t con u r cemment pour 5 http appsi eere energy gov buildings tools_directory Department of Energy 398 outils de simulations appliqu s au b t
216. pyranom tre mais aussi une partie du rayonnement diffus du ciel et une correction est n cessaire pour compenser cette perte Pour obtenir une mesure fiable l anneau doit tre d plac manuellement tous les deux jours De plus de nombreux l ments r fl chissent le rayonnement proximit de cet appareil Pour pallier ce d savantage le rayonnement diffus peut se calculer par l quation 2 1 gr ce au rayonnement global et au rayonnement direct horizontal Idif fus Lglobal directnormal sin hsoleil 2 1 La figure 2 11 repr sente le rayonnement diffus mesur et calcul l aide des deux pyranometres disponible sur le site d INES pour les 5 et 6 mars 2011 Durant ces deux jours l anneau tait correctement r gl pour masquer la part de rayonnement direct et on observe des carts pouvant aller jusqu 50W m soit presque 20 d cart entre les diff rentes valeurs de rayonnement diffus d o une incertitude lev e entre ces 3 valeurs de rayonnement diffus De plus on constate un pic de rayonnement pour les valeurs mesur es le matin et on peut en conclure que la valeur du rayonnement diffus est sujette une grande incertitude diffus mesur diffus calcul plate forme 350 300 diffus calcul lampadaire mo 250P E amp 200F eee 5 a e R id c e M Cae Se eteco cece Scere gt 50f 0 50 ki 05 03 06 03 07 03 Figure 2 11 Rayonnement di
217. r aspir l tage est plus important qu au RDC Les m mes rapports de r partition du d bit ont t consid r s en p riode hors gel et les m mes d bits ont t consid r s pour les deux maisons Mod le num rique L algorithme utilis est celui des fonctions de transfert 3 qui utilise deux quations qui d finissent le flux int rieur et ext rieur en fonction de la temp rature de surface int rieure et ext rieure au pas de temps pr sent et au pas de temps pr c dent Les fonctions de transfert sont particuli rement adapt es et fiables pour les transferts thermiques Coefficients de convection Dans EnergyPlus il y a plusieurs choix pour la mod lisation des coefficients de convection Nous avons consid r l algorithme TARP propos par lASHRAE pour l ext rieur et l int rieur 3 qui a t cr par Walton 1983 EnergyPlus propose quatre corr lations pour les surfaces int rieures et six pour les ext rieures ce qui refl te les incertitudes sur ce param tre La tache solaire est repr sent e par un mod le qui consid re la quantit de rayon nement direct clairant chaque surface plancher mur vitrage en projetant les rayons du soleil travers les vitrages ext rieurs tout en tenant compte des protec tions solaires fixes et mobiles Cette hypoth se induit une r partition du flux solaire dans toute la zone 3 4 Confrontation entre mod le et exp rimenta tion 3 4 1 Initialisation de la
218. r le mois de f vrier comprise entre 0 85 et 0 95 du 1 au 13 f vrier A partir du 14 f vrier l efficacit est sup rieure 1 car la temp rature de soufflage de l air neuf est sup rieure la temp rature d as piration de l air vici ce qui est physiquement impossible et signifie qu il y a des erreurs de mesure A partir du 14 f vrier la r sistance fonctionne et le capteur de temp rature du soufflage de l air neuf est proche de la r sistance qui peut rayonner et donc augmenter la mesure Si la mesure de temp rature de soufflage est influen c e par la r sistance le calcul de l efficacit est incertain d s lors que la r sistance fonctionne La p riode hors gel du 5 au 13 f vrier est une p riode de non fonction nement de la r sistance avec une valeur de l efficacit comprise entre 0 87 et 0 92 Le constructeur annonce un rendement de son changeur de 0 92 cette valeur d pen dant fortement des conditions dans lesquelles le syst me de ventilation fonctionne Dans notre cas pour le sc nario du mois de f vrier on a une efficacit de l ordre de 0 9 Avec trois points de mesure il est possible de calculer l efficacit de l changeur N anmoins l incertitude des mesures de temp rature d air aux entr e et sortie de l changeur doit tre pris en compte Dans notre cas il y a environ 5 d incertitude 54 DRE ee fel 00768506 version 2 2 La probl matique des incertitudes sur l exemple de la p
219. ra de conna tre les conditions limites du volume chauff Les surfaces vitr es correspondent 12 de la surface totale des parois verticales ext rieures La r partition des vitrages pour les 4 orientations correspondent 28 au Sud 10 l Ouest 5 VEst et 2 5 au Nord 2 1 2 2 Caract risation de l enveloppe Dans cette tude on se limitera aux deux premi res maisons Double Mur I DM et B ton Banch I BB sachant que seul le mode constructif diff re entre ces deux 33 Ti ee we 68506 version te l 007 CHAPITRE 2 La probl matique des incertitudes en regard d une plateforme d exp rimentation RDC N OOD OOOO OOO OOO DOOD PIII x 00222000 x KA Le tt i bad A x xX i 383 kd o un 180 j J ap PL RQ ii Da T s T aa by bx Cellier ERSA Ere 18 g by 5 00M2 ee tr e p lt by BS r cy amp Chambre 1 R TO Ka RS amp RD s 12 002 Ka H SZ KASH nes a i ox P70 RY o bo Li a A Le Quisine ii IE 8 l Ls Paer RDC Ses 0s i 4 te er cet fd BY pas Ka an eE KA ea 1 z BA by ti le ke ii A 4 187 151 22 KF i 7 pd rs 14 TR 8 Ohambre2 x Chambre3 f RSI Ka x Ka
220. re 2 15 Double o ve fen tre Double rt oe Double nn La RCE Est poss de une porte 2 25m x 1m ayant comme coefficient de transfert thermique 0 8 W m K Table 17 Dimension des ouvertures comprenant vitrage cadre des maisons I DM LBB et RT 2005 158 DAME SN fe1 00768506 version Annexe F Composition des parois et propri t s thermo physique des mat riaux de la maison RT 2005 paroi em W m K kg m J kg K Mur ext rieur eon Fe Polystyrene 10 0 035 18 1450 extrud Plancher bas Plafond Combles Plancher interm diaire Table 18 Propri t s thermo physique des mat riaux de constructions des parois opaques de la maison RT 2005 WEK W m K Mur ext rieur 0 4 N paisseur 30 1 cm paisseur 35 4 cm paisseur 19 3 cm Table 19 Coefficient de transmission thermique des parois de la maison RT 2005 159 Th egw a 68506 version te l 007 Annexe G Les douze premi res lignes du fichier m t o d EnergyPlus LOCATION Chambery Aix Bains TMY2 74910 45 65 5 88 0 239 0 DESIGN CONDITIONS 0 TYPICAL EXTREME PERIODS 6 Summer Week Nearest Max Tem perature For Period Extreme 7 20 7 26 Summer Week Nearest Average Tem perature For Period Typical 6 29 7 5 Winter Week Nearest Min Tempera Ligne 3 ture For Period Extreme 12 22 12 28 Winter Week Nearest Average Tempe rature For Period Typical 12 1 12 7 Autumn Wee
221. re 3 16 Comparaison entre la simulation et une plage d incertitude de la mesure de la temp rature d air du RDC et de l tage r sidu du RDC et de l tage et conditions m t orologiques pour la maison I DM du 23 au 28 mars 2011 temp rature de consigne La pr diction de la temp rature d air du RDC et de l tage est une grande partie du temps de la p riode consid r e comprise dans la plage d incertitude des mesures On observe toujours les pics de temp rature dans les r sidus Les valeurs des r sidus diminuent au cours de la p riode et sont compris une grande partie du temps dans la plage d incertitude Les r sultats de simulation de la temp rature d air augmentent plus vite que la mesure Des carts ont t observ s durant les trois p riodes tudi es Les incertitudes dues la mod lisation de la tache solaire ont t expliqu es mais d autres in certitudes peuvent expliquer les diff rences de r sultats comme par exemple le r seau a raulique qui peut comporter des erreurs dans la valeur du d bit consi d r et la valeur de l efficacit de l changeur Dans le chapitre 2 nous avons vu que ces mesures taient sujettes de nombreuses incertitudes Pour am 91 aA Meg enie tel 00768506 version CHAPITRE 3 La validation des mod les num riques des maisons INCAS 60 i i i mesure Temp rature apr s r sistance Ba mesure Temp rature bouche de soufflage Repas porcs
222. reuses pertes dans le r seau non prises en compte dans la simulation ce qui explique la mont e en temp rature plus rapide au moment de la relance du chauffage le 14 f vrier pour la simulation La comparaison entre l exp rimentation et la simulation pour le cas de la maison I DM a t effectu e On a observ que la simulation a la m me tendance que les mesures n anmoins on remarque des disparit s entre les r sultats de l exp rimenta tion et de la pr vision et on a pu identifier diff rentes sources d incertitude Tout en consid rant une plage d incertitude de mesure on a pu remarquer que les r sul tats de simulation n taient pas toujours compris dans cette plage Les r sultats de comparaison ont ils autant de disparit dans le cas de la maison I BB 92 21 Der 2012 fel 00768506 version 3 4 Confrontation entre mod le et exp rimentation Temp rature C Ej Temp rature C E 1efeesg fol a oe ee Bey E ieee 01 02 10 02 19 02 28 02 09 03 18 03 27 03 01 02 10 02 19 02 28 02 09 03 18 03 27 03 a Moyenne temp rature d air RDC b Moyenne temp rature d air Etage mesure Simulation bobo iii io i i mesure 3 5k 5 x cu Simulation Temp rature C N Temp rature C fooieond PN 0 A 3 M x 0 weer Ts a 01 02 10 02 19 02 28 02 01 02 10 02 1902 2802 09 03 18 03 21 03 c Variance temp rature d air RDC d Variance temp
223. riptions faites lors de la concep tion En effet le ma tre d ouvrage voudra conna tre les surco ts de construction et v rifier que ce qui a t pr dit correspond la r alit L exemple de la tour Eli this sens tre le premier b timent tertiaire nergie positive en France a montr toute la difficult de pr vision des consommations r elles partir de consommations issues de sc narios conventionnels car il est difficile de fixer une valeur de consom mation nerg tique compte tenu des al as possibles durant les diff rentes phases de la construction du b timent Les objectifs de ces travaux taient d identifier les in certitudes de mesure mais aussi les incertitudes li es aux hypoth ses de mod lisation Dans ces travaux deux b timents de la plateforme d exp rimentation INCAS ont t mod lis s avec l outil EnergyPlus et l analyse de la sensibilit des pr visions du comportement thermique d un logement individuel vis vis de l ensemble des pa ram tres de conception de la maison a permis de rep rer les param tres les plus influents sur la performance L analyse de sensibilit locale du mod le est la pre mi re tape et consiste identifier parmi l ensemble des param tres du mod le ceux 145 dm en fel 00768506 version qui ont une influence sur les r sultats de simulation La deuxi me tape a consist valuer les incertitudes associ es aux param tres les plus influents
224. rojet MAI SONPASSIVE financ par l ANR et ont fait l objet de plusieurs projets de recherche dont le projet ANR BATIMETRE pour la mise en place de la m trologie L objectif de ces maisons est multiple valider les codes de simulation valuer les performances de diff rents modes constructifs tester l efficacit de diff rents syst mes nerg tiques Les codes de simulation seront utilis s pour valuer le comportement thermique pour valider les mod les thermiques et aussi pour v rifier la conception du b timent apres construction Pour s affranchir des incertitudes li es aux comportements des occupants les maisons ne sont pas habit es Les maisons permettent aussi de tes ter de nouveaux syst mes nerg tiques adapt s aux maisons faible consommation nerg tique Dans notre cas ces maisons permettent de valider les mod les ther miques 32 Thee enie fel 00768506 version 2 1 Cadre d tude les maisons INCAS Figure 2 2 Les trois maisons INCAS 2 1 2 Description des maisons INCAS double mur et b ton Les maisons INCAS sont des b timents exp rimentaux construits pour permettre d valuer les enjeux de l optimisation des b timents neufs en regard de la consom mation nerg tique Elles ont t con ues pour tre bilan nerg tique quilibr et les besoins de chauffage correspondent 15kWh m an Cette consommation correspond celle du label Allemand Passiv Haus
225. rtures sur l ext rieur et les amplitudes de temp ratures journali res dues au rayonnement peuvent tre lev es 87 dm en fel 00768506 version CHAPITRE 3 La validation des mod les num riques des maisons INCAS Pour la moyenne journali re de la temp rature d air de la zone du RDC la tendance est coh rente entre la mesure et la simulation sauf d but mars o l cart est sup rieur 1 C Par contre pour la zone de l tage la pr vision de la temp rature est r guli rement inf rieure de 2 C la mesure Afin d approfondir cette analyse trois p riodes ont t tudi es plus particu li rement du 11 au 17 f vrier du 23 au 28 f vrier et du 23 au 28 mars Chaque p riode repr sente des sc narios diff rents p riode hors gel p riode de relance de chauffage p riode de respect de la consigne gr ce la r sistance lectrique et p riode d volution libre de la temp rature Chaque p riode est repr sent e par 4 figures une comparaison entre mesure et simulation de la temp rature d air du RDC et de l tage tout en consid rant une plage d incertitude sur la mesure le calcul du r sidu pour le RDC et l tage et les conditions m t orologiques pour la p riode tudi e De plus sur les figures du r sidu une plage d incertitude de 1 C a t consid r e permettant d observer la bonne coh rence des r sultats de simulation avec la plage d incertitude de la mesure P riode hors gel
226. s a caract rise la transparence du milieu atmosph rique plus la visibilit est r duite plus l pais seur optique sera importante 163 of Wag eit fel 00768506 version Annexe I Mod le num rique de la ventilation double flux d EnergyPlus Outdoor Air Inlet Node Heat Recovery Outdoor Air EA A Outlet Node MELD a HEAT RECOVERY Return Fan OA M l ER Outlet Node A Mixed Air Node p gt Heat Recovery me Return Fan Return Fan D Return Air Unitary Supply fan Inlet Node Heat Outlet Node i Resistance Air loop Ar loop Inlet Node Outlet Node Zone Equip i Zone Equip Outlet Node ROC Air ROCAir Inlet Node Outlet Node Inlet Node A Mixer e Glitter RDC Exhaust Node Exhaust Fan ETAGE Transfert Inlet Node ETAGE Air Inlet Node e ETAGE Air Outlet Node Figure 39 Mod le num rique de la double flux utilis dans EnergyPlus 164 dm en fel 00768506 version Bibliographie Simlab 2011 software package for uncertainty and sensitivity analysis Down loadable for free at http simlab jrc ec europa eu Auzxiliary EnergyPlus Programs Extra programs for EnergyPlus 2010 EnergyPlus Engineering Reference The Reference to EnergyPlus Calculations 2010 Getting Started with EnergyPlus Basic Concepts Manual Essential Informa tion You Need about Running EnergyPlus 2010 Sylvain Boulet Caract risation du confort hygrothermique et a
227. s inertie de Ta chape 7 inertie du parpaing H 10 coefficient de convection int coefficient de convection int rieure rieure vertical vertical Table 4 6 Analyse des corr lations tri es par ordre d importance pour la temp rature d air du RDC 134 Ti eerie fel 00768506 version 4 3 Cas 2 Incertitudes associ es aux temp ratures d air int rieur 4 3 3 Analyse d incertitude Une comparaison entre la simulation et la mesure tout en tenant compte des dif f rentes incertitudes a pu tre effectu e A l aide de l analyse de sensibilit locale sur les r sultats de la temp rature d air du RDC et de l tage de la maison I DM ainsi que l tude des corr lations 10 param tres consid r s comme influents ont t s lectionn s Les param tres sont la puissance de la r sistance lectrique l efficacit de l changeur l paisseur de la laine de verre la conductivit de la laine de verre les gains internes du RDC la transmission du vitrage ext rieur le d bit d infiltration l paisseur de la dalle l paisseur du parpaing le coefficient de convection int rieure verticale La masse volumique et la chaleur sp cifique de la dalle des planchers n ont pas t consid r es Comme pour la dalle des planchers pour le parpaing seule l paisseur a t consid r e Les param tres relatifs l inertie de la chape n ont pas
228. s la simulation des b timents au sein du logiciel SIMBAD qui fournit des mod les de b timent et des composants des syst mes de chauffage climatisation pour r aliser des simulations dynamiques des installations de g nie climatique et permet le d veloppement et le test de r gula teurs Les mod les de b timent sont repr sent s par des diagrammes en bloc aucun acc s aux quations n est possible ce qui rend cet outil peu flexible Les outils pr sent s permettent la mod lisation pr cise des syst mes pour effectuer au mieux la phase de conception d un b timent et ainsi pouvoir proposer des solu tions d am lioration et d optimisation Ils sont adapt s des utilisateurs ayant des connaissances dans le domaine de la mod lisation Une bonne ma trise de ces outils est n cessaire pour obtenir des r sultats coh rents Les r sultats de l tude r alis e par A Brun et al 2009 9 montrant les carts entre diff rents outils de simulation confirme la grande sensibilit des codes de calcul la variation de param tres phy siques assez mal identifi s Ces travaux montrent qu il est important de travailler sur la d finition des sources d incertitudes dans le b timent tant au niveau de la validit des param tres qu l imperfection des mod les num riques utilis s Des m thodes ont t d velopp es qui permettent d identifier les param tres influents Par la suite un aper u des m thodes d analyse de se
229. s L approche la plus naturelle s appuie sur des chantillonnages al atoires Monte Carlo Le nombre d chantillonnage doit tre lev ce qui conduit des temps de calcul tr s importants Dans la litt rature plusieurs chercheurs se sont int ress s effectuer des tudes d in certitudes avec des outils de simulation thermique de b timents Ces tudes peuvent tre lourdes en temps de calcul si elles ne sont pas automatis es I Macdonald et al 2002 36 d crivent une analyse d incertitude qui a t incorpor e l outil ESP r bas e sur celle de Monte Carlo Ils d finissent trois phases distinctes importantes dans une tude d incertitude la d finition des incertitudes la phase des simulations l analyse des r sultats Ces phases ont t impl ment es dans l outil ESP r En impl mentant de telles tudes directement dans un outil cela permet de rendre ces analyses plus facilement accessibles pour la communaut S de Wit et al 2001 18 listent les param tres ayant le plus d influence sur le confort thermique dans un b timent naturellement ventil Ils effectuent une tude d incertitude sur une pi ce situ e au dernier tage d un b timent naturellement ven til aux Pays Bas Ils utilisent deux outils de simulation thermique ESP r et BFEP et limitent leur tude au confort thermique Ils utilisent la m thode de Screening 27 aP Mac eiie tel 00768506 version 1 CHAPITR
230. s permettent une meilleure compr hension du comportement de la maison I DM avec diff rents sc narios volets ferm s consigne 11 C phase de relance du chauffage et journ e de mars bien ensoleill e Les capteurs de temp rature d air dans la maison I DM sont influenc s par l efficacit des boucliers thermiques visant r duire les effets radiatifs lors des mesures de temp rature d air Le tableau 2 2 r capitule les diff rences de temp rature journali re avec l cart maximum observ entre les capteurs par niveau l amplitude de la temp rature journali re par niveau cart entre le minimum et le maximum de la temp rature au cours de la journ e la diff rence de temp rature entre le RDC et l tage la moyenne de la temp rature ext rieure le rayonnement solaire direct Jour Ecart T Amplitude Ecart moyen T ext Rayonnement entre Capteurs journali re entre RDC direct journalier moyen et Btage 250 Table 2 2 Valeur des carts de temp rature entre tous les capteurs par niveau amplitude des temp ratures par niveau cart moyen entre les niveaux et moyenne de temp rature ext rieure et rayonnement direct pour le 12 f vrier le 15 f vrier et le 25 mars Le tableau 2 2 permet d observer la plage de la temp rature mesur e par niveau la plus lev e tant de 2 5 C pour le 25 mars Cette plage ne tient pas compte de la stratification de l air pouvant engendrer des
231. s toute la journ e le 15 f vrier est un sc nario de remise en chauffe des maisons et le 25 mars est un sc nario dit normal la temp rature est en volution libre la puissance de la r sistance lectrique est faible Les figures 2 28 2 29 et 2 30 repr sentent les capteurs de temp rature d air 1 10 m tre de hauteur pour chaque niveau ainsi que les conditions m t orologiques journali res respectivement pour les journ es du 12 f vrier 15 f vrier et 25 mars La figure 2 27 montre l emplacement des diff rents capteurs dans la maison I DM une hauteur de 1 10 m tre PETER eet SKK KKK RII RIKI RY RXXX IIX IXI IX XXX XXX XXX PODIS RS 4 een ky RY Ry j 4 d e Ky RQ DA 383 zE Ne 1a 180 i 18 RY I De o as IX z a NIS R Xj 00M2 1 Me vad xX bY Psd 7 p RA Rs SES amp Chambre 1 RS Ka oF i Sap e ke Ka e p Lx ps a ES 12 002 i bX atr e KA Pie 2 I qH Cuisine et x 1 KA e e i bY hA N 4 k e PLE j R R bx ue Py k pe fa nep RS E bat 2 a RE WE a Kel RS Lil ca K IX Li flo RS Ke ij fie bX KA il 3 8 187 151 22 KJ bx o ES Repas 1 4 8 Chambre 3 n 1k KA l e e KA bx e e RS bx e a ri ze gs x Ka o bx bd I S jour n 2 S jour n 1 K tieg Chambre 3 n 2 by Ry ii bY Rs bd il bx KO DA KA TE KA by ka Py i Rs B RY PQ
232. s analyses de sensibi lit et les analyses d incertitude permettent dans le cadre d une exp rimentation 28 dm en fel 00768506 version 1 5 Conclusion d am liorer le comportement entre le modele et la mesure on peut alors parler de validation du mod le F rbringer 1999 25 d finit les analyses de sensibilit comme essentielles dans le domaine de la simulation du batiment et il est n cessaire de les impl menter directement dans les outils Dans la suite de ces travaux on va s int resser d finir les diff rentes sources d in certitude tant dans la mesure des performances que dans les r sultats de simulation num rique Apr s avoir mis en vidence la n cessite de traiter cette probl matique d incertitude et les diff rentes m thodes qui permettent de les identifier on va main tenant consid rer l exemple de la plateforme exp rimentale de PINES en mettant en avant l ensemble des probl matiques qui ont t rencontr es au cours des mesures et qui nous ont conduits proposer la m thodologie de prise en compte des incertitudes qui sera pr sent e par la suite 29 DAME 68506 version te 1 007 CHAPITRE 2 La probl matique des incertitudes en regard d une plateforme d exp rimentation Ce chapitre pr sente la plateforme d exp rimentation INCAS et plus particuli re ment les deux maisons sur lesquelles portent ces travaux Dans une premi re partie nous d crivons la conception
233. s de sensibilit locale 1 4 1 3 Plans d exp rience 1 4 1 4 Analyses de sensibilit globale 1 42 Analyse d incertitude Ii Conclusions 25 2 4 60442 heeds ATEN beeen AS SRE 2 La probl matique des incertitudes en regard d une plateforme d ex p rimentation 2 1 Cadre d tude les maisons INCAS 2 1 1 La plate forme INCAS 4 ue su pue 4 ea a Ho eu 2 1 2 Description des maisons INCAS double mur et b ton 2 1 2 1 Pr sentation de la g om trie commune 2 1 2 2 Caract risation de l enveloppe 2 1 2 3 Traitements des points singuliers 2 1 2 4 Renouvellement d air et syst mes nerg tiques 2 1 3 Description de l exp rimentation mise en place 2 1 3 1 Les stations m t o 4 2845 28e sed dede 2 1 3 2 M trologie dans les maisons 2 2 La probl matique des incertitudes sur l exemple de la plateforme d ex p rimentation 2 ow 2 4 6 sus Re ok ew pe Sok eee LEE 2 2 1 Evaluation de la fiabilit des donn es sur deux b timents suite un arr t du chauffage 24 2s 2566 be kee ee aw 2 2 2 Incertitudes sur les champ de temp rature 2 2 3 Incertitudes concernant les sollicitations ext rieures 2 2 4 Incertitudes concernant la distribution a raulique 2 2 5 D termination d
234. s entre les indices de sensibilit aux diff rents para m tres montre que les param tres influents peuvent tre group s en quatre para m tres Dans le tableau 4 6 les param tres ont t tri s en fonction de leur valeur de distance et les corr lations ont t prises en compte pour des valeurs absolues de r sup rieures 0 99 Cette tude a permis de d gager 10 groupes de param tres sur les 17 param tres influents consid r s et pour caract riser l incertitude du groupe du param tre il est possible de s lectionner seulement un param tre par groupe 132 Peer te fel 00768506 version 4 3 Cas 2 Incertitudes associ es aux temp ratures d air int rieur a 2 2 5 g 2 2 3 3 3 s A TD 2 2 5 5 a 3 A 2 5 lo d S 2 g S gt 2 s a D dD o 9 x Ss 5 T o o 3 lo g a 2 ss Bg 5 P ls 2 2 38 E S 2 2 gs 8 s s gS S o 8 lo 2 o 2 s s a gt S lt 5 g O g 5 5 lglg ls ZlS z gl Le LE s ls glag 3 le le e le E lo 9 E le s E lg v g 2 3s E fo 5 D 3s D 5 Ss a 5 e o gt Le 5 D c a ns a a g 5 s fA O a 5 o 5 7 a So 2 5 gt gt D gt 2 fo S a m E T o 5 a 5 o a a o 5 kA A a a S ao a a A a a A a o 2 2 2 a lo o e a lg l s ra a a a a ls 2 a S O o o E o r sistan
235. s on a pris l hypoth se que ce rayonnement tait minime et on ne l a pas consid r Le garde corps pour acc der aux combles n a pas t mod lis Il n y a aucun masque proche arbres b timent et les masques lointains dus aux montagnes n ont pas t consid r s car ils sont d j pris en compte dans les mesures m t o Cette hypoth se est soumise aux incertitudes de dimension du balcon et de l avancement de la toiture mais son impact sur le comportement thermique de la maison est n gligeable D bit d infiltration Deux tests d tanch it ont t r alis s avec une porte souf flante par le CETE de Lyon pour chacune des maisons La premi re campagne a eu lieu en cours de chantier apr s la mise hors d eau et hors d air des maisons et la deuxi me campagne a eu lieu la r ception des maisons Le tableau 3 1 r sume les r sultats obtenus ainsi que les exigences des labels PassivHaus et BBC Pour la mo d lisation le d bit d infiltration consid r est de 0 115Vol h pour la maison I DM et de 0 05Vol h pour la maison I BB Les pertes par infiltration sont mod lis es par un d bit constant or les pressions exerc es par l effet du vent sur les surfaces ext rieures du b timent ont un impact sur le d bit d infiltration et de nombreuses incertitudes subsistent sur la valeur consid rer dans les codes De plus le test d tanch it peut tre effectu sur plusieurs ouvertures mais le r sultat ne sera pas id
236. s selon des m thodes de Monte Carlo Og Of CR Do 72 lt 1 8 N 1 N 1 N 1 N 1 CT 2 M gf ag oN y aP yf ye 2 2 2 2 PoP Pe v 1 9 N N PD yD gD ev N N N Yi Yo Yi Yk me La matrice w est form e par toutes les colonnes de v except e la i colonne qui est prise de u y yp g mn 2 2 2 2 a aa ae w 1 10 N yl E v 1 rite Lu se ye 1 N yy ay Le vecteur de sortie du mod le de dimension Nx1 est d termin pour chaque matrice Yu f u Vo f v Yu f wi 20 dm en fel 00768506 version 1 4 Etat de l art des m thodes d analyses de sensibilit Les indices du premier ordre sont d termin s selon DATE Si l 1 11 i 2 4 ya f o m 1 _ 3 I Les indices totaux sont gaux a LON OG 2 j 2 HDO yg f Le nombre de simulations pour d finir les indices du premier ordre est gal N k 1 Le calcul des indices totaux rajoute N simulations si les indices du premier ordre ont t calcul s et le nombre total de simulation est N k 2 La m thode FAST Fourier Amplitude Sensitivity Test est bas e sur la va riation des facteurs d entr es selon une sinuso de avec des fr quences diff rentes w1 w2 w Les chantillonnages sont g n r s ainsi X s Gi sinw s pour i 1 k et j 1 k 1 13 Avec X le if param tre d entr e la fonction G est choisie selon une densit de prob
237. s trois b ti ments Maison I DM figures 4 8 Pour le besoin de chauffage de la maison I DM les familles des param tres les plus influents sont 106 lofi Der 2012 pS O tel 00768506 4 2 Cas 1 Incertitude sur les besoins en chauffage et le confort dans trois b timents indice de sensibilit 1234567 8 9 1011 1213 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 efficacit de l echangeur r partition du d bit entre les zones paisseur de la chape paisseur poutrelle entrevous du plancher interm diaire transmission Vitrage ext rieur double conductivit polystyr ne extrud mur ext rieur paisseur polystyr ne extrud mur ext rieur chaleur sp cifique de la chape masse volumique de la chape HE 10 conductivit de la chape BH 11 paisseur de la dalle du plancher interm diaire EM 2 paisseur du carrelage En 13 r flection Vitrage int rieur double c t int rieur masse volumique poutrelle entrevous du plancher interm diaire chaleur sp cifique poutrelle entrevous du plancher interm diaire coefficient de convection int rieure vertical paisseur polystyr ne extrud plancher masse volumique de la dalle des planchers chaleur sp cifique de la dalle des planchers infiltration conductivit polystyr ne extrud plancher bas conductivit du carrelage paisseur laine de verre conductivit laine de verre conductivit du cadre des fen tres conductivit p
238. ser les entr es en trois groupes selon leurs effets effets n gligeables effets lin aires et sans interaction effets non lin aires et ou avec interactions Rahni N et al 1997 54 a utilis la m thode de screening par groupe propos e par Watson 1960 en l appliquant la cellule ETNA mod lis e avec l outil CLIM2000 d velopp par le centre de recherche d lectricit de France EDF situ aux Re nardi res Pour les auteurs cette m thode a le d savantage de ne pas permettre la connaissance du signe de l effet du param tre sur la sortie Ils ont s lectionn 23 pa ram tres influents sur les 390 param tres d entr e et le nombre de simulations a t de 136 Cette tude a permis d affirmer la possibilit d utiliser la m thode de scree ning dans le domaine du b timent De plus une analyse d incertitude a t r alis e en consid rant les 23 param tres s lectionn s et tous les param tres et les r sultats ont montr une bonne coh rence prouvant l efficacit de la m thode de screening 1 4 1 2 Analyses de sensibilit locale Les analyses de sensibilit locale estiment la d riv e de la sortie y par rapport au param tre 7 au voisinage de la valeur nominale des param tres oY Ox l X Xo 1 3 17 dm en fel 00768506 version CHAPITRE 1 Le monde incertain de la simulation du b timent Pour un calcul dynamique la d riv e s effectue pour chaque pas de temps
239. seul fichier est g n ralement fourni par ville repr sentatif du climat de la ville de ces derni res ann es alors que la m t o est soumise diff rents al as en fonction des ann es et des saisons L office f d ral de m t orologie et de climatologie M t o Suisse fournit des donn es m t orologiques mesur es pour diff rents sites et pour diff rentes ann es Pour pr senter les disparit s de r sultats de consommation nerg tique d un b timent entre diff rentes ann es nous avons mod lis une maison faible consommation nerg tique la maison INCAS double mur dite maison I DM avec l outil EnergyPlus avec diff rents fichiers m t o fournis par m t o Suisse les fichiers m t o annuels tant les donn es mesur es Gen ve pour les ann es 1990 1999 D autre part nous avons effectu la simulation avec le fichier m t o fourni par le d partement de l nergie pour la m me ville qu on appellera fichier de r f rence et nous avons d termin les besoins de chauffage pour la maison I DM pour chaque fichier m t o ainsi que les degr s jour unifi s DJU et la moyenne du rayonnement direct annuel Les DJU qui permettent de conna tre la rigueur de l hiver sont d termin s pour la p riode du 1 octobre au 20 mai Le DJUjournatier est d termin selon quation 1 1 1 http apps1 eere energy gov buildings energyplus weatherdata_about cfm 2 http www wmo int pages index_fr html 4 DRE
240. sibilit locale utilise la m thode de perturba tion d une faible valeur dans notre cas 1 d un param tre la fois Le classement des param tres influents l aide de l analyse de sensibilit locale ne tient pas compte de l incertitude sur les param tres comme c est le cas pour l analyse de sensibilit globale Certains param tres peuvent se r v ler influents dans le cas d analyse de sensibilit globale et non dans le cas de l analyse de sensibilit locale On a pu remarquer que sur les 13 param tres s lectionn s par l analyse de sensibilit locale certains param tres sont peu influents dans leur plage de variation Dans le cas des maisons I DM et I BB le param tre du d bit de ventilation ne faisait pas partie des 15 premiers param tres influents des r sultats de l analyse de sensibilit locales On a voulu en tenir compte pour l analyse de sensibilit globale il s est av r que le r sultat de son indice total est sup rieur 0 1 Dans le cas de la maison I DM le param tre du d bit d infiltration est influent or pour la I BB ce param tre ne figurait pas parmi les 13 premiers param tres influents d termin s l aide de l analyse de sensibilit locale Seconde tude pour la maison I BB On va s int resser maintenant effectuer une seconde analyse de sensibilit globale pour le cas de la maison I BB en consid rant le param tre du d bit d infiltration Dans le cas de la maison
241. son IDM Coupe de principe de la maison I BB Plan du RDC de la maison BBs ay ces eee sas cie sant 122 122 123 126 128 130 131 133 136 137 140 38 Plan de l tage de la maison I BB 39 Mod le num rique de la double flux utilis dans EnergyPlus dm en fel 00768506 version 1 1 2 1 2 2 3 1 4 1 4 2 4 3 4 4 4 5 4 6 4 7 10 11 12 13 14 Liste des tableaux Valeur des coefficients d change convectifs pour les deux configura tions W m K Source A Brun et al 2009 9 8 Mesure du d bit par le balom tre effectu e le 2 f vrier 58 Valeur des carts de temp rature entre tous les capteurs par niveau amplitude des temp ratures par niveau cart moyen entre les niveaux et moyenne de temp rature ext rieure et rayonnement direct pour le 12 f vrier le 15 f vrier et le 25 mars 63 Valeur du test d tanch it 75 Tableau des charges internes dues l lectrom nager 100 Tableau des charges internes dues aux occupants 101 Tableau des param tres et plage de variation pour la maison I DM 113 Tableau des param tres et plage de variation pour la maison I BB 115 Tableau des param tres et plage de variation pour la maison RT 2005 116 Analyse des corr lations tri es par ordre d importance pour la tem p r
242. sons INCAS m tre influent Pour la maison RT 2005 les param tres les plus influents sont le d bit de ventilation et d infiltration et l paisseur de la laine de verre Entre une maison ayant des besoins de chauffage autour de 15kWh m an et une maison RT2005 avec des besoins autour de 110kWh m an les param tres influents font partie des m mes cat gories qui sont le renouvellement d air de la maison et l isolation Ces r sultats montrent dans le cas d une r novation quelque soit la performance nerg tique du b timent que l isolation et le renouvellement d air sont les param tres dont une attention particuli re doit tre apport e pour am liorer l efficacit nerg tique Concernant la temp rature d air dans la maison I DM une comparaison entre les r sultats de simulation et d exp rimentation a pu tre effectu e tout en tenant compte des diff rentes incertitudes Le mod le num rique repr sentait correctement l exp rimentation dans le cas de la temp rature d air du RDC mais dans le cas de la temp rature d air de l tage les bandes d incertitudes ne se recoupaient pas entre la mesure et la simulation pour la p riode pr c dant le 14 f vrier 2011 Pour que les plages d incertitudes se recoupent il y a la possibilit d agrandir les plages d incerti tudes des param tres car la d finition de certaines plages d incertitude de param tres a pu tre trop optimiste Une seconde possib
243. spond la sensibilit du param tre seul et la sensibilit aux interactions de ce param tre avec tous les param tres I correspond Sri i Si Bae ist Si 1 6 19 dm en fel 00768506 version CHAPITRE 1 Le monde incertain de la simulation du b timent L interpr tation de ces indices est assez facile Leurs valeurs sont toujours positives La somme des indices de tout ordre doit normalement tre gale 1 Plus l indice est grand et donc proche de 1 plus le param tre a de l importance La m thode de Sobol est bas e sur des chantillonnages Pour d terminer l in dice de sensibilit du param tre X une matrice k x N est cr e k est le nombre de param tres pris en compte dans l analyse et N la taille de l chantillon la distribu tion des param tres est al atoire dans leur plage de variation yo est alors la r ponse de ce premier chantillonnage Ensuite un chantillonnage est cr par param tre et la valeur de tous les param tres est modifi e except pour le param tre X yi correspond la r ponse de chaque chantillonnage L indice de sensibilit peut alors tre calcul Var yi yo D 1 7 Var y AL A Saltelli 2008 56 a propos une extension la m thode de Sobol 1990 Cette m thode consiste g n rer deux matrices u et v de taille N k N est la taille de l chantillonnage et k le nombre de param tres Les valeurs des param tres sont g n r e
244. st comprise dans une plage de 0 5 C et l tage dans une plage de 0 75 C Les pi ces ayant les temp ratures d air les plus lev es par niveau sont des pi ces de faibles surfaces avec des appareils lectriques d gageant de la chaleur Dans l entr e se situe la baie informatique dissipant une cha leur d environ 130W et dans les WC de l tage se trouve une centrale d acquisition d gageant de la chaleur environ 30W 60 Dee NE felO0768506 version 2 2 La probl matique des incertitudes sur l exemple de la plateforme d exp rimentation Cuisine 17 Repas S jour n 1 S jour n 2 a Palier rdc 5 2 2 2 Chambre 1 Ef 8 J Chambre 2 E Chambre 3 n 1 2 15 Chambre 3 n 2 Salle de bain 1 WC tage Palier tage 14 i 00 00 06 00 12 00 18 00 00 00 46 00 06 00 12 00 18 00 00 00 a RDC b Etage 1400 rayonnement direct rayonnement global i temp rature ext rieure 1200 Temperature C rayonnement W m2 2 ALN o 00 00 06 00 12 00 18 00 00 00 c Conditions m t orologiques Figure 2 29 Temp rature d air s che dans la maison I DM pour le 15 f vrier 2011 cart de temp rature en p riode de relance du chauffage figure 2 29 Le 15 f vrier c est la p riode de remont e en temp rature Pour le RDC entre le d but et la fin de la journ e la temp rature d air moyenne a augment de 0 5 C tandis
245. st mise en doute car on observe de nombreux carts dans les r sultats entre les outils et par rapport la r alit dans le cas de b timents faible consommation nerg tique De plus aujourd hui on s int resse de plus en plus a la garantie de performance nerg tique des b timents qui consiste v rifier que les performances r elles d un b timent sont bien en ad quation avec les objectifs fix s dans le projet lors de la conception Dans le cas de comparaison entre les phases d tude et d occupation de nombreux carts sont observ s L exemple de donn es m t o mesur es par rapport au fichier moyen utilis a montr une variabilit sur les r sultats de mod lisation des besoins de chauffage d une maison faible consommation d nergie La difficult de la pr vision du climat induit des incertitudes sur les r sultats de simulation et on a vu que d autres sources d incertitudes peuvent impacter la garantie de performance Une pr sentation des analyses de sensibilit appliqu es aux batiments a t d crite Ces m thodes permettent d identifier un jeu r duit de param tres ayant une in fluence pr dominante vis vis des autres param tres Une meilleure connaissance des param tres influents permettra une meilleure pr diction Une analyse d incerti tude permet de caract riser la r ponse d un mod le dans un intervalle de confiance connaissant priori l incertitude des param tres d entr e Le
246. sultats EnergyPlus cr e un fichier csv de r sultat cette tape on stocke les r sultats Ces quatre premi res tapes sont r p t es en fonction du nombre de simu lations consid r dans l analyse d incertitude Les simulations peuvent tre effectu es en parall le Calcul de l incertitude l aide de Matlab on extrait les r sultats pour chaque simulation et on calcule la plage d incertitude 4 2 3 4 R sultats des analyses d incertitudes La figure 4 16 repr sente les r sultats pour l analyse d incertitude en consid rant 2000 simulations La moyenne du besoin de chauffage et les incertitudes des 3 mai sons consid r es I DM I BB et RT 2005 sont repr sent es La moyenne du besoin de 117 DEN Ne 68506 version 1 te l 007 CHAPITRE 4 Simulations et tude des param tres influents des maisons INCAS Maison I DM Maison I BB Maison RT 2005 kWh m an kWh m an _ kWh m an Moyenne du besoin 16 8 1 a 2 SR RE Incertitude valeur Oo 3 absolu 2 fois l cart type Incertitude valeur RE maa relative 140 o 16 8 4 2 9 besoin de chauffage KWh m2 an 111 1 225 I DM I BB RT 2005 Figure 4 16 R sultats des moyennes du besoin de chauffage et des incertitudes pour 2000 simulations pour les 3 maisons tudi es chauffage de la I DM est de 16 8kWh m an son incertitude relative est d environ 18 pour la I BB la moyenne du besoin de chauffa
247. sures 38 NE en 68506 version te l 007 2 1 Cadre d tude les maisons INCAS Le rayonnement global est mesur l aide d un pyranometre plac sur chaque station m t o C est un radiom tre qui permet la mesure de la puissance du rayonne ment solaire total en Watt par m tre carr W m sur un plan Sur la plate forme la technologie utilis e est une thermo pile un appareil sensible entre les longueurs d onde de 300 3000 nanom tres L incertitude annonc e de ce pyranom tre est de 2 Sur le lampadaire c est un pyranom tre compos d une diode photosensible en silicium il est sensible entre les longueurs d onde de 400 1100 nanom tres L incertitude annonc e de ce pyranom tre est de 5 La figure 2 10 repr sente le rayonnement global pour les 11 et 12 mars 2011 avec les deux syst mes de mesure situ s sur le site d INES On observe une diff rence de 50 60 W m pour le 11 mars qui est une journ e ensoleill e cela fait une incertitude d environ 8 L cart entre les deux types d appareil est moins marqu pour le 12 mars qui est une jour n e nuageuse Pour la mesure situ e sur la plate forme on observe une valeur de 10W m la nuit De plus il est impossible de quantifier impact d aux l ments proches du pyranom tre situ sur la plate forme ces l ments proches devant tre plus influents dans le cas de journ es ensoleill es On observe sur la figure 2 10 une co
248. t nerg tique des b timents basse consommation PhD thesis Universit de Sa voie 2008 A Weber M Koschenz V Dorer M Hiller and S Holst TRNFLOW a new tool for the modelling of heat air and pollutant transport in buildings within TRNSYS Eighth International IBPSA Conference Eindhoven Netherlands 2003 M Wetter P Haves M A Moshier and E F Sowell Using spark as a solver for modelica In SimBuild 2008 Third National Conference of IBPSA USA 2008 E Wurtz Mod lisation tridimensionnelle des transferts thermiques et a rau liques dans le b timent en environnement orient objet PhD thesis Ecole des ponts 1995 169
249. t int rieur coefficient d absorption ext rieur coefficient d absorption int rieur Table 10 Propri t s de surface des parois opaques des maisons I DM et I BB 155 Th egw a felO0768506 version Annexe E Composition des menuiseries des mai sons I DM I BB et RT 2005 Type de vitrage Us Taux d ouverture W n K 7 Double vitrage peu missif 1 4 0 6 85 lame argon cadre PVC Triple vitrage peu missif 1 1 0 45 85 lame argon cadre PVC Table 11 Propri t s des vitrages utilis s des maisons I DM I BB et RT 2005 Vitrage ext rieur Vitrage int rieur Transmission du rayonnement so 0 842 0 588 Ee SIDE R flexion solaire en incidence nor 0 076 0 312 ESS RSS R flexion solaire en incidence nor 0 076 0 246 melee ff Transmission optique a incidence 0 9 0 889 oe ke R flexion visible en incidence nor 0 048 mal c t int rieur r flexion visible en incidence nor mal c t ext rieur Transmission infrarouge en inci dence normale Emissivit infrarouge h misph rique c t int rieur Emissivit infrarouge h misph rique c t ext rieur Conductivit 70m KR Table 12 Propri t s physique des fen tres double vitrage des maisons I DM I BB et RT 2005 156 ST Wet ws fe1 00768506 version Vitrage Vitrage du Vitrage Pest into nro Transmission du rayonnement so 0 588 0 0842 0 588 ee me some R flexion solaire en incidence
250. t direct 0 a 3 a 01 02 107 02 13 02 a a 03 03 09 03 15 03 21 03 27 03 Normale Hors gel I orm 1 Hors gel 4 Normale Figure 2 13 Sc nario du mois de f vrier et de mars 2011 des maisons I DM et I BB 45 of Der eit Tsion lelO0768506 ve CHAPITRE 2 La probl matique des incertitudes en regard d une plateforme d exp rimentation 26 i CEE CULE A N 1 yt z ERANU Ree g 20 TEENIDA DORE Y coc F ARNEY pio iooi A Al ee F 16 de en d DM Repas BB Repas par DM Chambre 2 BB Chambre 2 14 01 02 07 02 13 02 19 02 25 02 03 03 09 03 15 03 21 03 27 03 a Temp rature d air sec au RDC et l tage des maisons I DM et I BB 1 4 1 2 2 a Puissance kW rs 0 2 0 01 02 07 02 13 02 19 02 25 02 03 03 09 03 15 03 21 03 27 03 b Puissance de chauffage des maisons I DM et I BB Figure 2 14 Temp rature d air et puissance des maisons I DM et I BB du ler f vrier au 31 mars 46 dE Twa fel 00768506 version 2 2 La probl matique des incertitudes sur l exemple de la plateforme d exp rimentation DM Repas z BB Repas 23 z DM Chambre 2 i Se N ei BB Chambre 2 T Temperature C Temperature C ravonnement W m 20 i bi l 0 05 02 06 02 01 02 02 02 03 02 04 02 05 02 06 02 a Temp ratures I DM et I BB b Conditions
251. taux sup rieurs 0 2 tandis que plus de 10 param tres pour les maisons I DM et I BB On peut conclure que de nombreux param tres sont responsables d une faible part d incertitude sur le besoin de chauffage dans le cas de b timents performants Cette tude a port sur le r sultat du besoin de chauffage de trois maisons I DM I BB et RT 2005 on va maintenant s int resser aux r sultats concernant la temp rature d air int rieur 4 3 Cas 2 Incertitudes associ es aux temp ra tures d air int rieur Apr s avoir tudi les param tres influents sur le besoin de chauffage pour trois maisons nous nous sommes int ress s la maison I DM et au sc nario r el Nous avons d termin les param tres influents des temp ratures d air des zones du RDC et de l tage l aide des analyses de sensibilit locale Puis nous avons tudi les cor r lations des param tres pour d finir des groupes de param tres influents Ensuite nous avons d termin une plage d incertitude pour les r sultats de simulation de la temp rature d air du RDC et de l tage qui permettra d effectuer une comparaison entre la mesure et la simulation tout en tenant compte des diff rentes incertitudes Puis une analyse de sensibilit globale a t effectu e pour d terminer quels sont les param tres influents en consid rant leur plage d incertitude On s est int ress deux p riodes en particulier p riode 1 du 5 au 25
252. tie au rayonnement solaire direct et diffus Ce rayonnement entrant par une fen tre est souvent pris en compte dans les logiciels de fa on simplifi e De nombreux mod les existent 61 mais ils comportent tous des approximations sujettes aux incertitudes Le dimensionnement des ouvrants n cessaires dans les fa ades en fonction du poten tiel disponible en tirage thermique et en vent afin d viter les risques de surchauffe en p riode estivale est effectu en phase d avant projet De nombreux travaux de recherche portent sur ce sujet et la th se de L Stephan 2010 58 dont le sujet est la Mod lisation de la Ventilation Naturelle pour l Optimisation du Rafra chisse ment Passif des B timents expose diff rentes m thodes de calculs pour mod liser la ventilation naturelle par des outils d aide la d cision mais aussi par des outils plus pr cis permettant de r aliser des simulations fines du comportement a raulique du batiment Malheureusement ce type de simulation n est pas adapt aux travaux des bureaux d tudes car m me avec des temps de calcul tr s lev s les r sultats manquent toujours de fiabilit Le vieillissement des composants et notamment de nouveaux composants a tr s haute efficacit nerg tique est rarement d termin correctement au moment de la fabrication Un exemple en est celui des fen tres int grant une lame d argon entre deux vitrages dont l tanch it de l espace n est pas connue
253. tres influents R sultat de simulation de la temp rature d air du RDC de la maison I DM la temp rature ext rieur et le rayonnement direct pour les deux p riodes tudi es R sultat de l analyse de sensibilit locale pour la maison I DM pour la temp rature d air du RDC et de l tage du 5 au 24 f vrier 2011 R sultat de l analyse de sensibilit locale pour la maison I DM pour la temp rature d air du RDC du 20 au 30 mars 2011 Valeur des degr s de correlation entre les param tres Incertitude et chantillonnage des param tres influents pour la maison I DM pour le sc nario r el 4 amp ou b eee Gee BEG pe az a Comparaison de l analyse d incertitude pour la maison I DM pour la temp rature d air du RDC et de l tage du 5 au 24 f vrier 2011 Indices de sensibilit globale du premier ordre et total pour la tem p rature d air du RDC de la maison I DM du 5 au 25 f vrier 2011 Indices de sensibilit globale du premier ordre et total par param tre pour la temp rature d air du RDC de la maison I DM du 5 au 25 f eyrner 1 UN RE Indices de sensibilit du premier ordre pour la temp rature d air du RDC et de l tage de la maison I DM du 5 au 25 f vrier 2011 Fa ades des maisons exp rimentales Coupe de principe de la maison IDM Plan du RDC de la maison DM Plan de l tage de la mai
254. tte S K Kartar and P Haves Analysis of an information monitoring and diagnostic system to improve building operations Energy and Building 33 783 791 2001 N Rahni N Ramdani Y Candau and P Dalicieux Application of group screening to dynamic building energy simulation models Computation and Simulation 57 285 304 1997 T Salomon R Mikolasek and B Peuportier Outil de simulation thermique du b timent comfie In Journ e th matique SFT IBPSA 2005 A Saltelli M Ratto T Andres F Campolongo J Cariboni D Gatelli M Sai sana and S Tarantola Global Sensitivity Analysis The primer John Wiley amp Sons Ltd 2008 A Saltelli S Tarantola and F Campolongo Analysis as an ingredient of modeling Statistical Science 15 377 395 2000 L Stephan Mod lisation de la Ventilation Naturelle pour l Optimisation du Rafra chissement Passif des B timents PhD thesis Universit de Savoie 2010 P A Strachan G Kokogiannakis and I A Macdonald History and develop ment of validation with the esp r simulation program Building and Environ ment 43 601 609 2008 168 dm en fel 00768506 version 60 61 63 64 S Tarantola D Gatelli and T A Mara Random balance designs for the estimation of first order global sensitivity indices Reliability Engineering and System Safety 91 717 727 2006 P Tittelein Environnements de simulation adapt s l tude du comportemen
255. tu par EnergyPlus est suffisant et que dans cette configuration les premiers jours de simulation ne sont pas influenc s par l tat initial d EnergyPlus La figure 3 8 pr sente les r sultats de la simulation pour la temp rature d air du RDC et de l tage ainsi que la puissance de la r sistance lectrique du 1 f vrier au 30 mars 2011 pour la maison I DM Les diff rents sc narios pr sent s sur la figure 2 13 ont t appliqu s La puissance maximale de chauffage est de 1150W comme indiqu dans les hypoth ses et lorsque la consigne est atteinte la puissance est plus faible voir nulle On observe que la temp rature d air du RDC est sup rieure celle de l tage d en viron 1 C lors des p riode de baisse de la consigne et lorsque la temp rature est en volution libre Cela peut s expliquer par la diff rence de d bit car le d bit souffl au RDC est sup rieur au d bit souffl l tage Une explication plus d taill e de ces r sultats sera effectu e par la suite lors de l tape de validation du mod le thermique Une comparaison entre la mesure et les r sultats de simulation a t effectu e Plu sieurs variables ont t choisies le rayonnement incident pour v rifier le fichier m t o et les temp ratures d air des zones non chauff es et des zones chauff es 3 4 3 Validation du fichier m t o rayonnement incident Sur chaque fa ade de la maison I DM sont install s des pyranom tres
256. u vitrage int rieur double c t int rieur l alb do et quatre param tres relatifs l inertie du b timent la masse volumique et la chaleur sp cifique de la dalle des planchers la masse volumique et la chaleur sp cifique de la chape Pour les deux p riodes tudi es du 5 au 24 f vrier et du 20 au 30 mars les valeurs des indices de sensibilit des param tres pour la temp rature d air ne sont pas identiques car elle d pendent de la p riode d tude et du sc nario Pour les deux p riodes les param tres communs les plus influents sont l efficacit de l changeur l isolation des murs verticaux les charges internes et les d bits d infiltration Dans le cas de la temp rature d air le d bit de ventilation n est pas influent il est class en 50 position Ce param tre ne sera pas consid r comme influent contrairement au cas concernant les besoins de chauffage Par la suite et pour ne pas surcharger l tude on s est seulement int ress la p riode de f vrier 4 3 2 tude des corr lations Dans le cas des temp ratures d air l tude de corr lation est possible et permet de grouper les param tres dont les effets sont semblables Le degr de corr lation entre deux param tres X et X est d fini comme wD S t Sim S5 E Sim 4 2 on Tij La figure 4 26 pr sente les valeurs des degr s de correlation entre param tres L ana lyse des corr lations temporelle
257. ues des stations situ es hors de la ville De grosses diff rences sont constat es entre les mesures in situ et la station hors de la ville la ville ayant des temp ratures annuelles moyennes plus lev es de 2 C dues l lot de chaleur Cela a pour cons quence une surestimation des consommations de chauffage lors des simulations pouvant atteindre 30 Les b timents sont con us pour les occupants et il est important de ne pas n gliger le confort thermique par rapport l efficacit nerg tique du b timent ni l influence du comportement de l occupant sur la performance nerg tique Lors de la conception des batiments les sc narios d occupation et de d gagement de chaleur des appa reils lectriques sont estim s Apr s construction des carts de consommation sont identifi s entre la pr vision et la r alit Ces carts peuvent tre dus essentiellement au sc nario consid r lors de la phase de conception Un exemple est l augmen tation de la consigne de chauffage de 1 C qui a comme impact une augmentation des besoins de chauffage de 12 18 dans le cas de b timents tr s isol s note n 4 La mod lisation du confort thermique est un sujet complexe en regard de l valua tion du confort thermique Le confort thermique est un tat d quilibre entre le corps et son environnement mais la sensation de confort thermique est tr s subjective et d pend de l individu ge sexe situation g ographique et
258. une plage d incertitude sur la mesure de la temp rature d ait s ik ae an Be ena be deed een ara 2 39 Conclusi n s de ed eRe ERE SES MSR SS La validation des mod les num riques des maisons INCAS 3 1 Validation des mod les thermiques 3 2 Description de l outil num rique EnergyPlus 3 2 1 Description d EnersyPlus 2444 44 4 44 04 284 Pena d a 3 2 2 Validations r alis es sur l outil 3 2 3 Pr sentation du fichier m t o d EnergyPlus 3 3 Hypoth ses de mod lisation 4 2344 ho ohne da Nine SHS 3 4 Confrontation entre mod le et exp rimentation 3 4 1 Initialisation de la simulation 3 4 2 Premiers r sultats de simulation 3 4 3 Validation du fichier m t o rayonnement incident 3 4 4 Validation des zones non chauff es 3 4 5 Cas 1 la maison double mur 3 4 6 Cas 2 la maison en b ton banch oa CONCUSSION amp pe bh hae te heehee Ris mi at inde us Th eter ws fe1 00768506 version 4 Simulations et tude des param tres influents des maisons INCAS 97 4 1 D marche d valuation des incertitudes 98 4 2 Cas 1 Incertitude sur les besoins en chauffage et le confort dans trois PAMENS ES See Axe ak de ds du es Chen 99 4 2 1 Description des b timents consid r s 99 ADA Enveloppes lt
259. ure d air de la maison Une comparaison entre l exp rimentation et la simulation de la temp rature d air des zones tampons vient d tre r alis e On observe des carts entre les r sultats allant jusqu quelques degr s Celsius mais au vu des paisseurs d isolant s parant 85 RE Ne 68506 version tel 007 CHAPITRE 3 La validation des mod les num riques des maisons INCAS Mesure Simulation Puissance W A E i 5 01 02 07 02 13 02 19 02 25 02 03 03 09 03 15 03 21 03 27 03 Figure 3 12 Comparaison entre la mesure et la simulation pour la puissance journali re de chauffage pour la maison I DM les zones tampons et les simulations effectu es montrant la faible influence de ces carts sur le r sultat on consid rera ces r sultats comme satisfaisants Nous allons maintenant tudier les r sultats des zones chauff es 3 4 5 Cas 1 la maison double mur La maison I DM sera trait e en premier On s est int ress trois variables 1 les puissances de chauffage 2 la temp rature d air 3 la temp rature dans le r seau a raulique 1 Les puissances de chauffage La figure 3 12 pr sente la comparaison entre la simulation et la mesure de la puissance journali re de chauffage du 1 f vrier au 30 mars 2011 Du 15 au 20 f vrier c est la p riode de la relance de chauf fage les puissances de chauffage mesur es et pr dites sont au maximum de leur puissance Ex
260. urnali re des temp ratures d air du RDC et de l tage pour la maison I BB ot aS ak eke ee ed dk ee ee Bre a ee OR Comparaison entre la mesure et la simulation pour la puissance jour nali re de chauffage pour la maison I BB Enveloppe de la maison RT 2005 4 444 43 saut pauses Sc nario de d gagement des charges internes dues l lectrom nager Sc nario d OCCUPAHON 44 2 444 26488488 eb ee ee be da R sultats de simulations pour les 3 maisons tudi es besoin de chauf fage et nombre d heure d inconfort Temp rature int rieure au RDC de la maison I DM temp rature ex t rieure et charges internes d gag es au RDC du 20 au 28 juillet tape pour obtenir les r sultats de l analyse de sensibilit locale Code couleur pour les param tres pour l analyse de sensibilit locale R sultat de l analyse de sensibilit locale pour le besoin de chauffage pour la maison EDM s so s ra 4425428 howe bb bee ses R sultat de l analyse de sensibilit locale pour le besoin de chauffage pour la maison HBB s secus wae a ate ee Ye Be por ee ai R sultat de l analyse de sensibilit locale pour le besoin de chauffage pour la maison RT2005 4 aoaaa dress e tes R sultat de l analyse de sensibilit locale pour le confort d t pour le rez de chauss pour la maison DM 101 102 103 103 105 106 dm en fel 00768506 version 4 12 4
261. us du plancher interm diaire dalle du plancher interm diaire le param tre influent relatif aux caract ristiques physiques des vitrages la trans mission du vitrage ext rieur Maison I BB figures 4 12 Pour le confort d t de la maison I BB les familles des param tres les plus influents sont les param tres relatifs l inertie du b timent caract ristiques physiques de la chape caract ristiques physiques des poutrelles entrevous du plancher interm diaire dalle du plancher interm diaire le param tre influent relatif aux caract ristiques physiques des vitrages la trans mission du vitrage ext rieur Maison RT2005 figures 4 13 Pour le confort d t de la maison RT2005 les familles des param tres les plus influents sont le param tre de l absorptivit de l enduit ext rieur les param tres de convection le param tre influent relatif aux caract ristiques physiques des vitrages la trans mission du vitrage ext rieur le param tre relatif au syst me nerg tique le d bit de ventilation coefficient de convection int rieur plancher coefficient de convection ext rieur mur vertical coefficient de convection int rieur mur vertical les param tres relatifs l inertie du b timent avec la masse volumique et la chaleur sp cifique des planchers les param tres relatifs l inertie du b timent avec les caract ristiques physiques
262. yPlus pouri t ptt iti OSOSOS S S p nombre de param tre Figure 4 6 tape pour obtenir les r sultats de l analyse de sensibilit locale 1 Cr ation du fichier d entr e les fichiers d entr es d EnergyPlus sont des fi chiers textes caract ris s par l extension idf Un seul fichier est cr dans lequel chaque valeur de param tre tudi est remplac e par une cha ne de ca ract res caract ristique l outil Matlab remplace ces cha nes de caract res par l ensemble des valeurs pr d finies pour la configuration i 2 Simulation EnergyPlus effectue la simulation en consid rant le fichier idf cr a l tape 1 3 R cup ration des r sultats EnergyPlus cr e un fichier csv de r sultat cette tape on stocke les r sultats Ces trois premi res tapes sont r p t es en fonction du nombre de param tres consid r s dans l analyse de sensibilit locale 4 Calcul des indices de sensibilit l aide de Matlab on extrait les r sultats pour chaque simulation et on calcule les indices de sensibilit locale 4 2 2 4 R sultats de l analyse de sensibilit locale Les r sultats sont repr sent s sur les figures 4 8 4 13 sur chaque figure est re pr sent le r sultat de l indice de sensibilit des 26 param tres les plus influents pour le besoin de chauffage ou les degr s heures d inconfort pour chaque maison Les param tres sont tri s p
263. ying uncertainty considerations to energy conservation equations Energy and Buildings 39 1019 1026 2007 Iain Alexander Macdonald Quantifying the effects of uncertainty in building simulation PhD thesis University of Strathclyde 2002 T A Mara Contribution la validation globale d un logiciel de simulation thermo a raulique de batiment proposition de nouveaux outils d aide a la va lidation D cembre 2000 PhD thesis Universit de la R union 2000 T A Mara Extension of the RBD FAST method to the computation of global sensitivity indices Reliability Engineering and System Safety 94 1274 1281 2009 T A Mara H Boyer and F Garde Parametric sensitivity analysis of a test cell thermal model using spectral analysis Journal of solar energy engineering 124 237 242 2002 T A Mara and O Rakoto Joseph Comparison of some efficient methods to evaluate the main effect of computer model factors Journal of Statistical Com putation and Simulation 78 167 178 2008 K J McCartney and J F Nicol Developing an adaptive control algorithm for europe Energy and Buildings 34 623 635 2002 O Mejri D veloppement de m thodes de diagnostic nergetique des batiments PhD thesis Universit s de Tunis El Manar et Bordeaux 1 2011 167 dm en fel 00768506 version 45 46 47 48 49 50 5l 52 53 54 55 56 57 58 59 L Mora Pr diction des p

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