Dynamic building performance assessment using calibrated simulation

International audienceAccurate building performance assessment is necessary for the design of efficient energy retrofit operations and to foster the development of energy performance contracts. An important barrier however is that simulation tools fail to accurately predict the actual energy consumption. We present a methodology combining thermal sensor output and inverse algorithms to determine the key parameters of a multizone thermal model. The method yields calibrated thermal models that are among the most detailed ones in the literature dealing with building thermal identification. We evaluate the accuracy of the resulting thermal model through the computation of the energy consumption and the reconstruction of the main energy flux. Our method enables one to reduce standard uncertainties in the thermal state and in the quantities of interest by more than 1 order of magnitude

State-parameter identification for accurate building energy audits

Building performance simulation often fails to predict accurately the real energy performance, mostly due to great uncertainties in the input data. Errors in computed performance are particularly significant in the case of existing buildings, for which the amount of information about intrinsic characteristics is low. However, efficient energy retrofit operations make necessary an accurate understanding of the initial state of a building using a calibrated prediction model. Several works have investigated the use of identification techniques for model calibration. The present paper investigates the use of such techniques to derive an energy audit procedure suitable to be an efficient aid for retrofit. In particular, we study here the possibility to determine the unknown thermal conductivity of the envelope and the internal gains based on temperature measurements only. We show how the adjoint method can be used to solve efficiently the inverse problem, while providing a fast method for computing model's sensitivities

Influence d'un émetteur de chaleur sur la dispersion particulaire dans une ambiance ventilée

La présente étude concerne l'impact d un convecteur électrique dans une ambiance ventilée sur les phénomènes de dispersion et de dépôt particulaire. Elle vise à développer les connaissances sur ce thème et de mettre au point des outils de prédiction de la qualité de l'air intérieur des bâtiments dans le but d'évaluer l'exposition globale des personnes. Les caractéristiques essentielles des particules ainsi que les différents phénomènes, pouvant influencer le comportement des particules en suspension dans l air, ont tout d abord été répertoriés, puis c est les différentes forces agissant sur les particules ainsi que les critères pour que leurs influences soient significatives qui ont également été proposés. Ainsi selon les cas, certaines forces peuvent devenir carrément négligeables face aux prédominantes. Nous avons mené en premier lieu une démarche expérimentale pour montrer et quantifier l influence d un émetteur de chaleur sur le dépôt particulaire à l intérieur d une enceinte test. Nous constatons alors que la présence du convecteur semble accélérer le dépôt pour les petites particules et avoir un effet contraire pour celles de plus grande taille. Conscients des limites de notre approche globale, nous avons également décidé de coupler à cette démarche expérimentale une étude numérique permettant d acquérir une connaissance beaucoup plus fine des phénomènes pouvant influencer le dépôt particulaire, et en particulier, la présence d un convecteur de chaleur. La résolution des deux phases, fluide et dispersée, a été réalisée à l aide d un code commercial de type CFD (StarCD). Deux cas de pollution particulaire initiale on été simulés pour la phase dispersée. Dans le premier cas le champ initial de concentration est considéré homogène, alors que dans le deuxième cas, nous avons considéré une injection ponctuelle du polluant.The present study is dealing with the physical aspects of the role played by the presence of an electrical heater within a ventilated enclosure into the particle dispersion and particle deposition phenomena. This study aims to develop the existent reported date within the subject area and to open the way towards prediction tools for the air quality in buildings. Main characteristics of particles as well as different phenomena which may influence their behaviour in air were reviewed. Different forces acting on the particles are presented in the same time with the criteria used to evaluate their weight. Depending on the studied case some of these forces may be considered as negligible. An experimental approach was developed in a first place in order to elucidate the influence of the presence of the electrical heater on the particle deposition. It is shown that small particles concentration tends to decay faster. The opposite was found for the larger ones. Being aware of the limits of the previous global approach, we decided to couple this experimental investigation to a numerical one. The numerical approach allows to obtain more detailed results. The commercial code CFD StarCd was used. Two cases of initial concentration were studied: namely initial homogenous concentration and one point particle injection.LA ROCHELLE-BU (173002101) / SudocSudocFranceF

Caractérisation des particules en gares souterraines

La qualité de l air dans les gares souterraines est un sujet émergeant en lien direct avec l exposition des personnes à la pollution de l air intérieure et extérieure. Ainsi, le travail réalisé lors de cette thèse consistait à mieux caractériser les particules présentes dans ces enceintes ferroviaires. La première partie de ce travail présente un état de l art des connaissances de la pollution particulaire dans les gares souterraines. Les particularités chimiques et des concentrations par rapport à l air extérieur sont mises en avant, ainsi que l intérêt d étudier les concentrations en nombre. La deuxième partie est consacrée à la caractérisation des particules durant une dizaine de jours d exploitation ainsi qu à l étude de la faisabilité de mesures Lidar dans une enceinte ferroviaire. Cette étude a permis de mettre en évidence des particularités chimiques et des concentrations suivant différentes périodes ainsi que l intérêt du Lidar pour étudier le transport des particules dans un tel volume. La troisième partie a permis d étudier trois sources spécifiques à une gare, la ventilation, les voyageurs et les trains en s intéressant plus particulièrement aux concentrations en nombre de chaque source. En fonction des scenarii d étude, nous avons pu mettre en évidence un apport particulier de chaque source. Enfin une quatrième partie a permis d étudier l application d un modèle global pour calculer les évolutions des concentrations en gare et de mettre en évidence les difficultés rencontrées pour déterminer certaines données d entrée. Les perspectives quant à la connaissance de sources, à la surveillance de la qualité de l air et la modélisation sont présentées en conclusion.LA ROCHELLE-BU (173002101) / SudocSudocFranceF

Contribution expérimentale et numérique à l'étude de la remise en suspension des particules par l'activité humaine

Concernant la pollution particulaire des ambiances, qu elles soient habitables ou destinées à accueillir des populations, c est essentiellement l étude du dépôt des particules ou de leur migration dans l air, qui a le plus souvent été traitée dans la bibliographie. Pour l instant trop peu d études ont été consacrées aux aspects de la remise en suspension des particules car de façon générale, qu il s agisse d habitations ou de grands volumes ouverts au public, les vitesses de l air restent relativement faibles et permettent difficilement d arracher les particules déposées. C est dans cet esprit que nous avons élaboré en cellule test, un protocole expérimental pour mettre en évidence ce phénomène. Nos expérimentations permettront de dégager une tendance visant la modélisation du comportement particulaire en phase de remise en suspension.Nous nous sommes basés sur l analogie électrique des cycles de charge décharge d un self dans une résistance dans un circuit RL pour modéliser le dépôt et la remise en suspension des particules. Les résultats fournis par le modèle reproduisent dans la majorité des cas les résultats expérimentaux sur des intervalles représentatifs de temps.Particles pollution inside buildings which are designated for living or to welcome peoples is a very important subject treated in bibliography for its parameters such as particles settling and airborne transport. Nowadays there is a lack of studies developed in the frame of particles suspension in air, as the air speed in big volume rooms is low and so more difficult take off the settled particles. Therefore we have developed a testing room to measure this phenomenon. Our experiments showed out an approche to modelling particles behaviour during the resuspension phenomenon. Our experiments took into consideration the human activities as a source of air pollution and also as a factor which influences the inside air quality.LA ROCHELLE-BU (173002101) / SudocSudocFranceF

Influence de la pollution extérieure sur la qualité de l'air intérieur (rôle des fissures dans le transfert de particules solides)

La qualité de l air dans les ambiances habitables est une préoccupation majeure car elle est en lien direct avec l exposition des personnes qui passent généralement un grand nombre d heures dans le bâtiment. Le travail réalisé lors de cette thèse s est focalisé sur un point bien précis : le rôle des fissures (ou petits orifices) vis-à-vis du transfert de polluants particulaires pouvant être transportés par l air. L infiltration de particules solides à travers les fissures existantes dans l enveloppe du bâtiment est caractérisée à l aide d un coefficient de pénétration. Celui relie la pollution extérieure à celle de l intérieure en donnant la quantité de particules extérieures qui se trouvent effectivement à l intérieur du bâtiment après avoir franchi les fissures. Suite à une première partie présentant un état de l art des connaissances de la pollution particulaire à travers des fissures du bâtiment, notre contribution vient proposer deux parties principales : une approche expérimentale mis en œuvre au LEPTIAB, suivie d une approche numérique via un code commerciale de calcul StarCd. La partie expérimentale a eu comme objectif l élaboration d une méthode de mesure qui nous a permis de déterminer le coefficient de pénétration et de classifier les fissures selon ce paramètre. Pour cela, nous avons conçu un dispositif expérimental puis développé un protocole de mesure faisant varier les paramètres qui influencent le coefficient de pénétration d une manière individuelle afin de séparer leurs effets sur le coefficient de pénétration. Ces paramètres sont divisés en deux catégories: ceux qui sont liés à la fissure, comme ses dimensions et sa position, et les paramètres extérieurs, comme la différence de pression ou le diamètre de la particule. Suite à différents cas d école, une application concrète ciblée sur de réels composants d éléments de paroi vient étendre notre contribution expérimentale. La seconde contribution est basée sur du calcul numérique. Les fissures étant de véritables singularités au sein des ambiances, nous avons pour le domaine expérimental étudié précédemment proposé une approche fine de type CFD, afin de prédire le plus précisément possible le comportement au sein de l ambiance de ces singularités. Lors de cette nouvelle approche nous avons observé que l entrée de la fissure filtre une importante quantité de particules ayant une grande influence sur le coefficient de pénétration de celle-ci. Les perspectives exposées en conclusion à ce travail montrent à quel point le champ d investigation lié au transfert de particules par les fissures reste vaste.Indoor air quality is a major factor as nowadays people spend most of their time in buildings being exposed to the indoor level of pollution. This dissertation explores a well-defined subject, namely, the particle penetration through buildings cracks. The rate of pollutant entry through a leakage can be expressed by means of a penetration factor. Being a function of species, leakage path properties or pressure drop over the crack, the penetration factor states the level of outdoor particles found indoors. After presenting the studies which had evaluated penetration factor for airborne particles based mainly on experimental evidence, we introduced our two research directions: the experimental one developed at LEPTIAB laboratory, followed by a numerical part using a commercial code (StarCd). The objective of the experimental part was to advance a new method capable of determining the cracks penetration factor. The research purpose was accomplished using an authors built in laboratory device which allowed an independent evaluation of the parameters determining penetration factor variations. The parameters are separated into two groups, those which are related to the crack, as its dimensions or position by respect to the flow direction and the external parameters, as the pressure drop or particle s diameter. For the experimental studies, the system complexity increased in succeeding phases. We first started with rectangular cracks and after passed to real building envelope elements which allow airborne particles infiltration. The second part of this research proposes a numerical study capable of clarifying some details that are not obvious out of the experimental results. The numerical part conceived using a commercial code type CFD, aims to describe the particles trajectories, particles deposition positions, or to quantify the crack entrance effect. In the end, we can conclude that the crack entrance strongly influences the particle penetration factor. The conclusions highlight the major findings from this dissertation and outline the potential future research directions based on infiltrations through buildings cracks.LA ROCHELLE-BU (173002101) / SudocSudocFranceF

A probabilistic mechanical model for prediction of aggregates' size distribution effect on concrete compressive strength

International audienceTo predict aggregates' size distribution effect on the concrete compressive strength, a probabilistic mechanical model is proposed. Within this model, a Voronoi tessellation of a set of non-overlapping and rigid spherical aggregates is used to describe the concrete microstructure. Moreover, aggregates' diameters are defined as statistical variables and their size distribution function is identified to the experimental sieve curve. Then, an inter-aggregate failure criterion is proposed to describe the compressive-shear crushing of the hardened cement paste when concrete is subjected to uniaxial compression. Using a homogenization approach based on statistical homogenization and on geometrical simplifications, an analytical formula predicting the concrete compressive strength is obtained. This formula highlights the effects of cement paste strength and aggregates' size distribution and volume fraction on the concrete compressive strength. According to the proposed model, increasing the concrete strength for the same cement paste and the same aggregates' volume fraction is obtained by decreasing both aggregates' maximum size and the percentage of coarse aggregates. Finally, the validity of the model has been discussed through a comparison with experimental results (15 concrete compressive strengths ranging between 46 and 106 MPa) taken from literature and showing a good agreement with the model predictions. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved

Identification de paramètres et séparation de sources thermiques à dynamiques différentes dans le bâtiment en utilisant la variation totale

Les procédures d’audit actuelles ne parviennent pas à prédire les consommations réelles des bâtiments existants. Cet écart entre les prédictions et les mesures s’explique par les grandes incertitudes présentes dans les données d’entrée des logiciels de simulation thermique des bâtiments. Parmi les incertitudes, on trouve les paramètres physiques du bâtiment, ainsi que les conditions d’usage et les données météo. Nous proposons une méthode d’audit qui identifie la donnée météo de la température du ciel, la conductivité des parois, et les gains internes à partir de seulement trois capteurs de température. De plus, nous démontrons la possibilité de séparer deux composantes constitutives d’une source (les gains internes) lorsque celles-ci possèdent des dynamiques différentes

Effect of ventilation strategies on particle rates indoors : An experimental and modelling study

n.a