Règles de conception d'architectures internes optimisant la ventilation naturelle pour la rénovation des logements en milieu tropical

Design rules for Internal Architecture optimising Natural Ventilation for residential building retrofit

• Auteur / Autrice : Brieg Riou
• Direction : Pascal Stabat
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Energétique et génie des procédés
• Date : Inscription en doctorat le 07/02/2022
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Energétique et Procédés
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : CEEP - Centre Energie, Environnement, Procédés
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université de Recherche Paris Sciences et Lettres (2015-2019)

Mots clés

Mots clés libres

Ventilation Naturelle

Cfd

Essais soufflerie

Confort thermique

Rénovation

Batîment

Natural Ventilation

Cfd

Wind tunnel

Thermal comfort

Retrofit

Building

Résumé

Contexte et enjeux L'étude de la ventilation naturelle des bâtiments est au cœur de la maîtrise de la demande d'énergie en milieu tropical où les besoins en climatisation sont importants. La mise en œuvre d'une ventilation naturelle efficace est complexe et suppose des connaissances à trois échelles différentes : - Échelle géographique : des données statistiques sont disponibles. Des modèles existent permettant de quantifier une rugosité de zone urbaine bâtie et donc de relier le vent statistique d'altitude à ses valeurs au sol dans une telle zone. - Échelle du tissu urbain : les interactions entre bâtiments sont significatives à une échelle d'une centaine de mètres. Le sillage des bâtiments faisant obstacle, les effets d'angle, les turbulences entre immeubles affectent le champ de pression. - Échelle du bâtiment lui-même. Connaissant les pressions amont et aval, des corrélations existent donnant le débit d'air mais sont valables ''hors pertes de charge'' à l'intérieur du logement. Des avancées ont été obtenues ces dernières années à l'échelle du tissu urbain permettant d'accéder à des champs de pressions aux parois des bâtiments. La compréhension et la représentation des phénomènes intervenant à l'intérieur du bâtiment reste à approfondir afin de pouvoir développer des concepts d'architecture interne privilégiant une bonne irrigation interne assurant le confort thermique des occupants. L'objectif principal de la thèse consiste à proposer des solutions d'architectures internes et de porosités (ventelles, jalousies…) en rénovation des logements, mais aussi applicables dans le neuf, et des moyens pour les dimensionner afin de développer la ventilation naturelle dans les DOM-TOM comme solution passive pour le confort thermique. Objectifs scientifiques Les principales étapes de la thèse sont : 1. Étude des concepts d'architectures internes actuelles et des contraintes liées à leur mise en œuvre en rénovation 2. Choix de modélisation CFD et validation sur des données expérimentales dans différentes configurations (taille d'ouverture, orientation du vent, présence ou non de balcon en façade). L'objectif est de déterminer les débits de renouvellement d'air dans les appartements et des vitesses d'air interne en fonction des coefficients de pression en façade 3. Étude paramétrique sur différentes configurations d'aménagement interne, de surface d'ouverture des façades, de porosités internes, en fonction des coefficients de pression en façade à partir du modèle CFD validé. 4. Identification de concepts innovants d'aménagement interne et validation en soufflerie 5. Établissement de règle de conception d'architectures internes optimisant la ventilation naturelle en fonction des potentialités externes. Approche – Méthodes Études en CFD et essais en soufflerie Les différentes approches s'appuieront sur des cas d'études concrets à l'île de la Réunion Résultats attendus Les résultats scientifiques mettront en valeur : - de nouvelles connaissances sur la compréhension des phénomènes aérauliques internes et sur les vitesses d'air intérieur - des nouveaux concepts d'architecture intérieure favorisant la ventilation naturelle - des méthodes de dimensionnement des architectures intérieures

Context and issues The study of natural ventilation in buildings is at the heart of energy demand management in tropical environments where air conditioning needs are high. The implementation of efficient natural ventilation is complex and requires knowledge at three different scales: - Geographical scale: statistical data are available. Models exist to quantify the roughness of built-up urban areas and therefore to relate the statistical wind at altitude to its values on the ground in such an area. - Scale of the urban network: interactions between buildings are significant at a scale of about 100 meters. The wake of obstructing buildings, corner effects, turbulence between buildings affect the pressure field. - Scale of the building itself. Knowing the upstream and downstream pressures, correlations exist giving the airflow but are valid ''without pressure drops'' inside the building. Progress has been made in recent years on the scale of the urban network, providing access to pressure fields at the surfaces of buildings. The understanding and the representation of the phenomena occurring inside the building remain to be deepened in order to develop concepts of internal architecture privileging a good internal irrigation ensuring the thermal comfort of the occupants. The main objective of the thesis is to provide solutions for internal architecture and porosity (louvers, blinds, etc.) in housing renovation, but also applicable to new buildings, and to propose ways of dimensioning them in order to develop natural ventilation in the French overseas departments and territories as a passive solution for thermal comfort. Scientific objectives The main stages of the thesis are 1. Study of current internal architecture concepts and constraints related to their implementation in renovation 2. Choice of CFD modelling and validation on experimental data in different configurations (opening size, wind orientation, presence or absence of balcony). The objective is to determine the air renewal flows in the apartments and the internal air velocities according to the pressure coefficients at the façade. 3. Parametric study on different configurations of internal arrangements, opening surface of the facades, internal porosities, according to the pressure coefficients in the facade from the validated CFD model. 4. Identification of innovative internal design concepts and validation in wind tunnel 5. Establishment of design rules for internal architectures optimising natural ventilation as a function of external potentialities. Approach - Methods CFD studies and wind tunnel tests The different approaches will be based on concrete case studies on the island of Réunion Expected results The scientific results will bring out : - new knowledge on the understanding of internal aeraulic phenomena and on indoor air velocities - new concepts of interior architecture favouring natural ventilation - methods for dimensioning interior architecture