Développement et validation d’une modélisation thermo-aéraulique tridimensionnelle et dynamique du bâtiment pour l’étude des environnements thermiques intérieurs complexes

Development and validation of a three-dimensional and dynamic thermo-aeraulic building model for the study of complex indoor thermal environments

• Auteur / Autrice : Teddy Gresse
• Direction : Frédéric Kuznik
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Thermique énergétique
• Date : Soutenance le 16/03/2023
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : Membre de : Université de Lyon (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CETHIL - Centre d'Energétique et de Thermique de Lyon (Villeurbanne, Rhône) - Centre d'Energétique et de Thermique de Lyon / CETHIL
• Jury : Président / Présidente : Pierre Sagaut
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Sagaut, Pascal Biwole, Christian Inard, Frédéric Kuznik, Lucie Merlier, Auline Rodler
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pascal Biwole, Christian Inard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation tridimensionnelle

Transfert de chaleur

Modélisation des données du bâtiment

Bilan thermique (thermique)

Mots clés libres

Thermique des bâtiments

Ambiance thermique

Transfert de chaleur

Modélisation énergétique

Bâtiment

Simulation à grandes échelles

Méthode de Boltzman sur réseau

Couplage BES-CFD

Modélisation thermo-Aéraulique

Modélisation dynamique

Building thermal

Thermal atmosphere

Heat transfer

Energy modeling

Building element

Large Eddy Simulation - LES

Lattice Boltzmann method

BES-CFD coupling

Thermo-Aeraulic modelisation

Dynamic modeling

Résumé

Avec le changement climatique en cours et l’augmentation de la fréquence et de l’intensité des vagues de chaleur comme typiquement en France, l’enjeu du confort thermique d’été devient central pour la conception et la rénovation des bâtiments, notamment en ville. L’étude du confort thermique dans des environnements thermiques intérieurs complexes, mettant en jeu des phénomènes radiatifs et convectifs dynamiques et locaux, nécessite de disposer d’outils de simulation thermique du bâtiment capables de prendre en compte cette complexité physique et de produire des données fiables et adaptées. Ainsi, afin de pouvoir étudier de façon détaillée les différents phénomènes en jeu, ce travail de thèse propose le développement et la validation d’une modélisation thermo-aéro-radiative de pièce basée sur la BES (Building Energy Simulation) dynamique et tridimensionnelle, la CFD (Computational Fluid Dynamics) par la méthode de Boltzmann sur réseau (LBM) avec la simulation des grandes échelles (LES), et finalement le couplage de ces deux approches. Dans un premier temps, le modèle de BES développé, capable notamment de localiser la tâche solaire sur les surfaces intérieures et de prendre en compte les multi-réflexions radiatives, a été validé suivant une confrontation avec des mesures en conditions réelles réalisées dans une pièce dans laquelle évolue une tâche solaire (configuration solaire passive BESTLab d’EDF Re&D). Les résultats montrent des résidus inférieurs à 4°C et des erreurs moyennes autour de 0,6°C sur les températures de surface intérieures. L’application du modèle de BES à l’étude d’un matériau à changement de phase dans cette même pièce a notamment permis de montrer que le stockage d’énergie latente s’effectue principalement dans les parties de mur ensoleillées (tâche solaire), ce que ne peuvent pas prédire les codes de calcul couramment utilisés. Dans un second temps, la modélisation LBM-LES adoptée a été confrontée à un vaste ensemble de données expérimentales portant sur une pièce d’essai à échelle 1 (MINIBAT) équipée d’une ventilation mécanique, mettant en jeu des jets turbulents (Re∼10^4), axisymétriques et anisothermes se développant près du plafond. Une attention particulière a été portée au traitement dynamique et thermique proche paroi afin d’adapter les modèles aux écoulements dans les bâtiments. Les résultats montrent un bon accord entre les profils moyens de vitesse et de température avec des positions et des valeurs de maximums en cohérence avec les mesures ainsi qu’une anisotropie de la turbulence correctement retrouvée par la simulation. Enfin, le couplage BES-CFD a été mis en place et confronté aux données expérimentales d’une pièce équipée d’un radiateur en régime permanent. L’analyse porte sur le transfert de chaleur aux parois ainsi que le comportement du radiateur et les caractéristiques du panache thermique. Les résultats obtenus montrent que le couplage employé conduit à des résultats fiables.

With the ongoing climate change and the increasing frequency and intensity of heat waves, as typically in France, the issue of summer thermal comfort becomes central for buildings design and refurbishment, especially in cities. The study of thermal comfort in complex indoor thermal environments, involving dynamic and local radiative and convective phenomena, requires building thermal simulation tools able to take into account this physical complexity and to produce reliable and adapted data. Thus, in order to study in detail the different phenomena involved, this thesis proposes the development and validation of a thermo-aero-radiative room model based on dynamic and three-dimensional BES (Building Energy Simulation), CFD (Computational Fluid Dynamics) by the Large Eddy Simulation (LES) based on Lattice Boltzmann Method (LBM), and finally the coupling of these two approaches. In a first step, the developed BES model, able to localize the sun patch on the interior surfaces and to take into account the radiative multi-reflections, has been validated following a confrontation with measurements in real conditions carried out in a passive solar room (BESTlab configuration of EDF R&D). The results show residuals lower than 4°C and average errors around 0.6°C on the indoor surface temperatures. The application of the BES model to the study of a phase change material in the same room has shown that the latent energy storage is mainly in the parts of the wall exposed to the sun (sun patch), which cannot be predicted by the commonly used codes. In a second step, the adopted LBM-LES modelling adopted was confronted with a large experimental dataset on a full-scale test room (MINIBAT) equipped with mechanical ventilation, involving turbulent (Re∼10^4), axisymmetric and anisothermal jets developing near the ceiling. Particular attention was paid to the dynamic and thermal near wall treatment in order to adapt the models to indoor airflows. The results show a good agreement between the mean velocity and temperature profiles with positions and values of maximums consistent with the measurements as well as a turbulence anisotropy correctly found by the simulation. Finally, the BES-CFD coupling has been implemented and compared with experimental data of a room equipped with a radiator in steady-state conditions. The analysis focuses on the heat transfer to the walls as well as the behavior of the radiator and the characteristics of the thermal plume. The results obtained show that the coupling used leads to reliable results.