A study of the nonlinearity of a building thermal behavior based on metamodeling

International audienceIn this work, we present a study of the nonlinearity of building thermal behavior based on a metamodel for cooling energy needs. We studied the nonlinearity of the thermal behavior of an office. The building quadratic behavior and interactions between its components were analyzed based on the metamodel coefficients. The metamodel was fitted with a reduced number of dynamic simulations. The nonlinearity was first assessed as function of the mean outdoor air temperature in fifteen typical European climates and then as function of the internal heat gains for the coldest and hottest climates. The metamodel provided highly accurate results with fast calculation time. However, a higher accuracy was generally obtained for hot climates, high internal heat gains and lightweight thermal mass. Conversely, the nonlinearity of thermal behavior was accentuated in cold climates and with low internal heat gains. Moreover, the interactions between the building components were found to be more influential on cooling energy needs than quadratic behavior. We propose a classification of thermal behavior into three regimes: Highly nonlinear when the energy needs are close to zero; intermediate with decreasing nonlinearities that can be expressed by power functions; and finally, a quasi-linear regime with almost-steady nonlinearities

Thermoregulatory effect of green spaces and wetlands in Paris

International audienceSeven "green and blue" areas of different kinds are selected in Paris in order to measure their "cooling effect" during summer heat-waves. Air temperature is measured at two meters height in three different locations of each site : one sensor is located in the middle of the green or blue area, one is located from 5 to 50 m away and the last one is located from 50 to 150 m away from the green or blue area. The intra and intersites temperature differences are qualitatively analysed all along the day regarding to the morphology and the land-use of the sensor environment. Results show that the smaller is the park, the lower will be its cooling effect. The canal does not refresh well the air during night-time whereas its does refresh during day-time. Large areas mainly composed of low vegetation and a judicious distribution of trees seem to have the best potential to decrease the air temperature inside and outside the green area during day-time as well as during night-time. Quantitative analysis as well as denser measurement network should be implemented in order to confirm those preliminary conclusions

Prise en compte du champ thermo-convectif pour le contrôle thermique des espaces habitables

Le contrôle en temps réel des locaux climatisés requiert la connaissance de modèles de la distribution de température et du champ de vitesse. Des modèles complets, basés sur les codes CFD, donnent accès à ces informations, mais sont incompatibles avec des applications en temps réel. Ainsi, un modèle d'ordre réduit est nécessaire. Cette étude propose de réduire la taille d'un modèle CFD en adoptant, dans un premier temps, l'hypothèse d'un champ de vitesse fixé, ce qui permet de ne résoudre que l'équation de conservation de l'énergie. Puis, mis sous forme d'un système d'état, la décomposition orthogonale aux valeurs propres est utilisée pour réduire son ordre. Cette méthode est appliquée au cas d'un local équipé d'un ventilo-convecteur. La forme de système d'état du modèle réduit ainsi obtenu permet, par application de la théorie moderne du contrôle, d'estimer la température dans la zone d'occupation sans mesure directe, et ainsi de l'intégrer dans une boucle fermée de contrôle. Plusieurs contrôleurs sont comparés avec pour point commun d'être synthétisés sur le principe du modèle interne basé sur la connaissance d'un modèle d'ordre réduit de l'air du local.LA ROCHELLE-BU (173002101) / SudocSudocFranceF

Développement d'une méthodologie de conception de bâtiments à basse consommation d'énergie

En France, le secteur du bâtiment est le plus gros consommateur d énergie parmi les secteurs économique, avec 46% de l énergie finale totale et 25% des émissions de CO2. Il s avère donc nécessaire de réduire l impact environnemental de ce secteur en promouvant le concept des bâtiments à basse consommation d énergie. Ce travail vise à développer une méthodologie pour réaliser des études de conception de bâtiments à basse consommation d énergie. La méthodologie consiste à déterminer des modèles polynômiaux pour l évaluation des performances énergétique et du confort thermique d été des bâtiments, à l aide de la méthode des plans d expériences et des outils de simulation numérique. Ces modèles polynômiaux simplifient les études paramétriques, en apportant une réponse alternative aux outils de simulations numériques pour la recherche de solutions afin de concevoir des bâtiments à basse consommation d énergie. La méthodologie est appliquée sur un bâtiment tertiaire à savoir un immeuble de bureaux. La méthodologie constitue une base robuste pour le développement d outils d aide à la décision, pour la conception de bâtiments à basse consommation d énergie. Les solutions pour la conception sont choisies de manière simple et rapide, à l aide d abaques définis avec les modèles polynomiaux développés. Le niveau de précision constaté par rapport à la simulation numérique est appréciable. Le choix des solutions est effectué parmi des millions de configurations de facteurs, dont la détermination serait difficile à réaliser directement à l aide de la simulation numérique, d où l avantage d une telle méthodologie.LA ROCHELLE-BU (173002101) / SudocSudocFranceF

Contribution à l'étude de l'efficacité des systèmes de ventilation hybride dans les bâtiments du secteur tertiaire

LA ROCHELLE-BU (173002101) / SudocSudocFranceF

Prédiction des performances thermo-aérauliques des bâtiments par association de modèles de différents niveaux de finesse au sein d'un environnement orienté objet

LA ROCHELLE-BU (173002101) / SudocSudocFranceF

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

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.LA ROCHELLE-BU (173002101) / SudocSudocFranceF

Microclimatic coupling as a solution to improve building energy simulation in an urban context

International audienc

An insight into the thermal behaviour of a building based on a metamodel for cooling energy consumption

International audienceIn this study, a metamodel for cooling energy consumption is presented. In constructing the metamodel, the assumption was made that cooling energy consumption is a polynomial function of the energy consumption of each individual building component. We studied the cooling energy consumption of an office under various climate conditions and with different thermal masses and uses. The metamodel was fitted from dynamic simulations by multiple regression analysis and the accuracy obtained was very close to that of dynamic simulation. Our study highlights the value in using the Design of Experiments method to fit the metamodel since the number of simulations could be reduced without a loss of accuracy. The metamodel coefficients were analysed to gain insight into the thermal behaviour of a building. We found that the energy consumption for cooling was a convex function of the individual energy consumptions of the building components. The results suggest that it would be beneficial to study third order and exponential terms. This work opens a path to a new way of analyzing building energy performance