Modélisation thermo-hydro-aéraulique des locaux climatisés selon l'approche zonale (prise en compte des phénomènes de sorption d'humidité)

Modeling temperature and moisture fields in conditioned spaces using zonal approach, including sorption phenomena in buildings materials

• Auteur / Autrice : Kátia Cordeiro Mendonça
• Direction : Christian Inard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance en 2004
• Etablissement(s) : La Rochelle

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert de chaleur

Hygrométrie

Climatisation

Aéraulique

Résumé

Les modèles prédictifs constituent aujourd'hui une aide précieuse tant pour la conception des bâtiments que pour l'évaluation de leurs consommations énergétiques. Malgré l'incontestable rôle joué par l'humidité dans le domaine du bâtiment, ses interactions avec le bâtiment ne sont pas systématiquement prises en compte dans les outils de simulation. De plus, dans la plupart des cas, ces modèles de prédiction considèrent les conditions ambiantes du local uniformes, ce qui s'avère être une approche particulièrement inadaptée pour traiter le cas des ambiances climatisées. Cette étude propose un modèle pour prédire les champs thermiques, hydriques et aérauliques d'un espace climatisé, selon l'approche zonale. Cette méthode est basée sur la discrétisation spatiale d'un local en un nombre réduit de zones où, à l'exception de la pression qui varie hydrostatiquement, toutes les variables d'état de l'air sont considérées constantes. L'approche zonale ne permet donc pas une description fine des conditions environnementales de l'ambiance comme un code de champ de type CFD, toutefois elle permet d'identifier, à un coût de calcul raisonnable, certaines hétérogénéités du local qui sont importantes lors de l'étude du confort thermique. Le modèle proposé est structuré en trois groupes de sous-modèles représentant les trois domaines d'un espace climatisé : l'air ambiant, l'enveloppe et le système de climatisation. Le sous-modèle de l'air ambiant est relatif à la partie de l'ambiance où l'écoulement peut être considéré comme à faible vitesse, alors que le sous-modèle de l'enveloppe est relatif aux échanges radiatifs entre l'enveloppe et son voisinage et les transferts de chaleur et de masse à travers les matériaux constituant l'enveloppe. Ces derniers peuvent, quant à eux, être représentés par quatre sous-modèles de niveaux de complexité différents, parmi lesquels, deux prennent en compte les phénomènes d'adsorption et de désorption d'humidité par les matériaux poreux de construction. Concernant le sous-modèle du système de climatisation, il décrit l'équipement de conditionnement d'air proprement dit, son système de régulation et l'écoulement du jet d'air issu de cet équipement. Ce groupe de sous-modèles a été couplé au sein d'une plate-forme de simulation modulaire, SPARK, particulièrement bien adaptée à la comparaison des différents modèles. L'applicabilité du présent modèle est montrée à travers deux exemples. Dans le premier, l'importance de la prise en compte des phénomènes de sorption d'humidité lors de la prédiction des conditions environnementales d'une ambiance est mise en évidence. Quant au deuxième exemple, il montre l'impact de l'hygrométrie de l'environnement extérieur sur les conditions ambiantes d'un local climatisé et sur la performance de son équipement de conditionnement d'air.

Nowadays, building simulation models represent an important tool for building conception and performance analysis. Although moisture interacts in many ways with the whole building affecting therefore its behavior, these models frequently neglects the interactions between them. In addition, most of them consider the indoor air conditions as uniform, which is clearly a poor assumption when dealing with air conditioned spaces. In this work, a model to predict temperature and moisture fields in conditioned spaces, using zonal approach, is proposed. This method is based in spatially dividing a room in a relative small number of zones, typically on the order of tens to hundreds, where the state variables of air are considered as uniform, with the exception of pressure that varies hydrostatically. Even if zonal models are not as fine-grained as CFD, they do give useful information about temperature and moisture distributions, two important parameters involved in comfort analysis. The proposed model was structured in three groups of sub-models representing the three building domains: indoor air, envelop and HVAC system. The indoor air sub-model is related to the indoor air space with low airflow speed. The envelop sub-model is related to the radiation exchanges between the envelop and its neighborhood, and to the simultaneous heat and mass transfers across the envelop material. The latest can be represented by four sub-models of different complexity levels, with two of them taking into account moisture adsorption and desorption by building materials. Concerning to the HVAC system model, it refers to the whole system that means equipment, control and specific airflow from equipment. All sub-models were coupled into a modular simulation environment, SPARK, particularly well adapted to compare these different models. The applicability of the proposed model is shown in two examples. The first one shows the importance of considering moisture sorption phenomena in the prediction of indoor air conditions, while the second example shows the effect of the outdoor humid air on the indoor air conditions of a conditioned space and on the energy consumption of its air conditioning system.