Dans cet article, nous allons voir comment ClimaWin 2020 utilise les informations de la maquette thermique pour améliorer le calcul de déperditions selon la norme NF EN 12831, et le calcul des apports par la méthode l’ASHRAE.
La norme NF EN 12831 « Performance énergétique des bâtiments – Méthode de calcul de la charge thermique nominale », permet de calculer les déperditions pour dimensionner les systèmes de chauffage. Une des difficultés est de calculer correctement les déperditions par ventilation et de tenir compte des systèmes de préchauffage et de chauffage pour déterminer les déperditions à combattre dans les locaux. Une autre difficulté est d’évaluer correctement les déperditions vers les locaux non chauffés : espace tampon et locaux faisant partie de l’espace chauffé mais dépourvu d’émetteur.
La méthode ASHRAE tient compte de la variabilité des conditions extérieures, intégrant le flux solaire. Elle adopte pour cela un modèle de flux cyclique sur des périodes de 24 heures. Les difficultés rencontrées pour le calcul de déperditions vont se retrouver dans le calcul d’apports. La problématique des locaux non climatisés va être particulièrement forte lorsque ceux-ci sont ensoleillés.
Une méthode de type coefficient b n’a plus de sens. Le calcul d’apports inclut également une problématique spécifique, le calcul de l’hygrométrie. Le calcul d’apports dans la méthode se fait avec une température de consigne et une hygrométrie de consigne.
Mais en dehors de quelques applications spécifiques, l’hygrométrie n’est pas contrôlée et va dépendre du système de ventilation et de la température de pré-refroidissement ou de refroidissement. Elle va dépendre également du système de climatisation installé dans les locaux. L’approche maquette thermique de ClimaWin2020 permet de réaliser des calculs plus proches de la physique et d’obtenir des résultats plus justes pour les problèmes que nous avons évoqués.
Calcul de ventilation
Dans l’approche maquette thermique, nous disposons de tous les débits d’air extraits et soufflés dans chaque local, de toutes les parois extérieures et de tous les contacts entre les différents locaux. Nous disposons également de la vitesse du vent.
Cela permet d’écrire les équations de l’équilibre aéraulique pour toute partie du bâtiment isolée sur le plan aéraulique. En menant le calcul avec vent et sans vent, cela permet de déterminer :
- La pression intérieure au niveau bas de cette partie de bâtiment
- Les débits soufflés avec les conditions de soufflages
- Le débit d’aération (dû à l’entrée d’air par dépression)
- Les infiltrations
- Les transferts d’air
Sur l’exemple en simple flux sur la figure 1, les différents résultats sont mis en évidence.
Figure 1: Exemple en hiver d’un simple flux pour un séjour avec kitchenette
Calcul en hiver de la température des locaux non chauffés
Le calcul d’un coefficient b ne tient pas compte des températures des différents locaux chauffés, ni des contacts entre locaux non chauffés et son utilisation n’est pas satisfaisante.
Ce que l’on veut connaître, c’est la température de tous les locaux non chauffés pour lesquelles il n’y a pas de déperditions dans ces locaux non chauffés. Le calcul se mène de façon itérative. Dans le cas de locaux non chauffés bénéficiant d’un préchauffage, il faut raisonner sur la charge thermique, somme des déperditions et du préchauffage. Dans l’exemple 2, nous voyons un exemple de WC sans émetteur de chauffage. Sa température est très légèrement inférieure à la température, ses déperditions et sa charge thermique sont nulles.
Figure 2 : Exemple de calculs de déperdition en hiver d’un sanitaire dans un bureau
Calcul en été de la température et de l’hygrométrie des locaux non climatisés
Pour les apports, le calcul est réalisé sur 24 heures. Dans un processus itératif on cherchera la température et l’hygrométrie, de consigne, du local non climatisé pour lesquelles les sommes, sur 24 heures, des apports sensibles et des apports latents sont nulles. Là aussi le calcul se fait de façon itérative.
Sur l’exemple 3, on donne les résultats à l’heure du maximum des apports sensibles. On voit que la température et l’hygrométrie ont été calculées. Au maximum, les apports sensibles et latents sont faibles. Ils ne sont pas nuls, mais leurs sommes sur 24 heures le sont.
Figure 3 : Exemple de calcul en été d’un sanitaire
Calcul en été de l’hygrométrie des locaux climatisés
Le calcul de l’hygrométrie des locaux climatisés demande la connaissance du système de ventilation et du système de climatisation présent dans le local. Le calcul commence par le calcul des apports sensibles et de la part d’apports sensibles couverts par la centrale d’air. Cela permet de connaître le débit d’air et l’hygrométrie de l’air pulsé par le système de climatisation.
On peut alors de façon itérative trouver l’hygrométrie du local pour laquelle la somme des apports latents sur 24 heures est égale à la puissance latente fournie par le système de climatisation. Dans l’exemple 4, on voit que le taux d’humidité a été déterminé et que les apports latents ont été recalculés.
Figure 4 : Exemple de calcul en été d’un bureau desservi par une DAC
La maquette thermique : le parent pauvre du BIM
Les IFC sont nés à partir d’une vue architecturale et n’incluent par les relations entre les systèmes thermiques et le bâtiment. Même lorsque des efforts ont été faits dans le modèle IFC pour définir les « space boudary » permettant de connaître les limites thermiques des pièces et les locaux adjacents, leur implémentation est très partielle dans des logiciels comme Revit.
Dans cette rapide étude nous avons vu l’importance capitale de définir correctement la maquette thermique du bâtiment. Pour que le projet Cible mené par le CSTB et soutenu par l’ADEME, qui veut réaliser le cahier des charges d’un large moteur de calcul, aboutisse, il sera nécessaire qu’émerge une définition partagée de la maquette thermique. C’est pour ces raisons que BBS Slama travaille dans Building Smart France : pour qu’aboutisse la définition de la maquette thermique, qui pourrait être reprise par Building Smart International.
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