Modelling a sustainable urban management system

International audienceAfter developing a methodological framework to model actions taken collectively and individually by the project group, we first established an inventory of research approaches. We then expanded our approach to professionals and future residents of an urban renewal neighbourhood in Aix-les-Bains. This methodology, while originating from the strategic analysis suggested by Crozier and Friedberg, should find new applications that complement the approach adopted for quantitative-qualitative comparative analysis

Simulation numérique de l'interaction de systèmes énergétiques du bâtiment à l'aide d'une plateforme de simulation basée sur le solveur SPARK

Pour contrer l'augmentation de la demande mondiale en énergie, l'efficacité énergétique dans les bâtiments est un levier majeur. On parle donc de plus en plus de bâtiments basse énergie et de maisons passives. Nous verrons à quoi correspondent ces notions. L'idée est ici de travailler à partir d'une plateforme de simulation (SimSpark) basée sur le solveur Spark pour décrire le comportement thermo-aéraulique dans les bâtiments. A partir de cette plateforme, on peut facilement intégrer tout type de système. En exploitant la modularité de l'environnement, il est possible d'évaluer le gain apporté par différents types d'enveloppes ou par l'ajout de différents systèmes. On peut également connaître les interactions qui peuvent avoir lieu pour en déduire quelles sont les associations les plus efficaces. Nous présenterons ici une évaluation de l'effet de la mise en place d'une ventilation double flux sur les besoins de chauffage ainsi que l'effet de l'ajout de casquettes au dessus des fenêtres sur le comportement thermique du bâtiment

Impact de la variabilité des données météorologiques sur une maison basse consommation. Application des analyses de sensibilité pour les entrées temporelles.

Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre du projet ANR FIABILITE qui porte sur la fiabilité des logiciels de simulation thermique dynamique et plus particulièrement sur les sources potentielles de biais et d'incertitude dans le domaine de la modélisation thermique et énergétique des bâtiments basse consommation. Les sollicitations telles que les occupants, la météo ou encore les scénarios de consommation des usages font partie des entrées les plus incertaines et potentiellement les plus influentes sur les performances d'un bâtiment basse consommation. Il est nécessaire pour pouvoir garantir des performances de déterminer les dispersions de sortie associées à la variabilité des entrées temporelles et d'en déterminer les variables responsables pour mieux réduire leur variabilité ou encore concevoir le bâtiment de manière robuste. Pour répondre à cette problématique, on se base sur les indices de sensibilité de Sobol adaptés aux modèles complexes à grandes dimensions tels que les modèles de bâtiment pour la simulation thermique dynamique. La gestion des entrées fonctionnelles étant un verrou scientifique pour les méthodes d'analyse de sensibilité standard, une méthodologie originale a été développée dans le cadre de cette thèse afin de générer des échantillons compatibles avec l'estimation de la sensibilité. Bien que la méthode soit générique aux entrées fonctionnelles, elle a été validée dans ce travail de thèse pour le cas des données météorologiques et tout particulièrement à partir des fichiers météo moyens (TMY) utilisés en simulation thermique dynamique. Les deux aspects principaux de ce travail de développement résident dans la caractérisation de la variabilité des données météorologiques et dans la génération des échantillons permettant l'estimation de la sensibilité de chaque variable météorologique sur la dispersion des performances d'un bâtiment. A travers différents cas d'application dérivés du modèle thermique d'une maison basse consommation, la dispersion et les paramètres influents relatifs à la variabilité météorologique sont estimés. Les résultats révèlent un intervalle d'incertitude sur les besoins énergétiques de l'ordre de 20% à 95% de niveau de confiance, dominé par la température extérieure et le rayonnement direct.This thesis is part of the ANR project FIABILITE dealing with the reliability of dynamic thermal simulation softwares and particularly with the potential sources of bias and uncertainties in the field of thermal and energy modeling of low consumption buildings. The solicitations such as the occupancy schedules, the weather data or the usage scenarios are among the most uncertain and potentially most influential inputs on the performance of a low energy building. To ensure the efficiency of such buildings, we need to determine the outputs dispersion associated with the uncertainty of the temporal inputs as well as to emphasize the variables responsible for the dispersion of the output in order to design the building in a robust manner. To address this problem, we have used the sensitivity indices of Sobol adapted to complex models with high dimensions, such as building models for dynamic thermal simulations. The management of the functional inputs being a lock for the scientific methods of standard sensitivity analysis, an innovative methodology was developed in the framework of this thesis in order to generate consistent samples with the estimate of the sensitivity. Although the method can incorporate generic functional inputs, it has been validated in this thesis using meteorological data and especially the typical meteorological year (TMY files) used in dynamic thermal simulations. The two main aspects of this development work lie in the characterization of the variability of meteorological data and the generation of samples to estimate the sensitivity of each weather variable dispersion on the thermal and energy performances of a building. Through various case studies derived from the thermal model of a low-energy house, the dispersion and influential parameters for meteorological variability are estimated. Results show a large range of uncertainties in the energy requirements from about 20 % at a confidence level of 95%.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF

Numerical study and design of a dew point evaporative cooler for buildings

Refreshing air remains a crucial problem in warm climates where electricity consumption for air conditioning has become excessive and irrational for several years, notably in Algeria. Research in this field is increasingly oriented towards new techniques that can reduce costs and environmental impacts. Among these techniques, the evaporative dew point cooling technology is the most promising as it can cool outdoor air to temperatures below its wet bulb temperature. The aim of this work is to model and design a dew point cooler for french and algerian climates. This model is used to study the effect of the cooler parameters such as its length, water temperature and working air ratio on its cooling effectiveness and supply temperature

Modélisation tridimensionnelle des transferts thermiques et aérauliques dans le bâtiment en environnement orienté objet

This work consists in the description of the air flow and heat transfer in buildings, making use of a simplified tool: the zonal method. It is a 3D method based upon the partitioning into a small number of subzones, intermediate between one-node and CFD models. Mass and energy balances are written in each subvolume while the mass flow in the interfaces are calculated by power pressure laws. The modularity of the method makes it particularly suitable for an implementation in an object oriented environment. The SPARK environment, fit for the resolution of large nonlinear equations systems, is hence used. Results are validated by comparison with various experimental and numerical references. A sensitivity analysis is then performed to determine the appropriate empirical coefficients as well as the characteristics of an optimal mesh. The properties of the object oriented environment are taken advantage of by coupling the zonal method with a thermal comfort model, a conductive model (taking into account 3D effects) and a mass transport model. The simulation of the influence of a heat source yields results consistent with experimental data, in the whole domain studied. Last, the combined natural and forced convection case is treated by adding a model for kinetic energy conservation in the subzones, and the calculated mass flows tally with the CFD results.L'étude consiste à décrire les phénomènes thermiques et aérauliques dans le bâtiment à l'aide d'un outil simplifié : la méthode zonale. Il s'agit d'une méthode tridimensionnelle basée sur le partitionnement en un petit nombre de sous-volumes, intermédiaire entre les modèles à un noeud et les maillages fins. On écrit des bilans de masse et d'énergie dans chaque sous-volume tandis que les échanges dans les interfaces sont déterminés par des lois reliant les débits aux différences de pression. L'aspect modulaire de la méthode facilite son implémentation dans un environnement orienté objet et le logiciel SPARK, adapté à la résolution de gros systèmes d'équations non-linéaires est utilisé à cet effet. Les résultats sont validés par rapport à différentes références expérimentales et numériques. Une étude paramétrique détermine les coefficients empiriques judicieux ainsi que les caractéristiques d'un maillage optimal. Un autre atout d'un environnement objet réside dans les possibilités de couplage. On traitera successivement l'exemple d'un modèle de description du confort, celui des transferts par conduction en tenant compte des effets tridimensionnels ainsi qu'un modèle de transferts de masse. La simulation des effets d'une source de chaleur donne des résultats conformes aux constatations expérimentales dans l'ensemble du volume. Enfin, le cas de la convection mixte est traité en prenant en compte la conservation de l'énergie cinétique dans l'écoulement ; les résultats correspondent à ceux obtenus avec un modèle de champ

A Low Order Envelope Model for Optimised Predictive Control of Indoor Temperature: Development Methodology and Calibration with a Numerical Model

International audienc

Une méthode d'estimation des gains solaires effectifs dans un bâtiment en fonction du rayonnement global horizontal extérieur: application aux prévisions météorologiques pour le contrôle prédictif optimal du confort

National audienc

Modélisation de la ventilation naturelle pour l'optimisation du rafraichissement passif des bâtiments

L'utilisation croissante de systèmes de rafraîchissement mécaniques a entraîné l'augmentation de la consommation électrique des bâtiments, des effets psychologiques sur les habitants et une accoutumance chez les occupants qui ne tolèrent plus les variations de température intérieure. On assiste actuellement à l'émergence d'une tendance qui pousse vers une réforme des nommes pour reconnaître la notion historique qu'est l'adaptation. C'est le début du développement d'une architecture respectueuse qui pourra mieux gérer l'intégration du bâti dans son environnement naturelle. Cependant, il reste un travail conséquent à réaliser afin de consolider les connaissances et surtout la maîtrise de la ventilation naturelle. De notre point de vue, ceci passera par le développement d'outils de simulation de deux types : Des outils d'aide à la conception pour aider à réaliser des choix préliminaires et ce dès la phase de conception; Des outils précis pour réaliser des simulations fines du comportement aéraulique du bâtiment afin de valider les choix de base et les raffiner. Ces outils doivent être performants et capables de s'adapter à tout type de réalisation et au changement des conditions aux limites tout en gardant un temps de simulation raisonnable. Cette thèse s'est construite autour de ces deux idées où l'on a réalisé une démarche de conception basée sur l'inversion de modèles simplifies dans le but de dimensionner les ouvertures. Puis, on a développé un modèle intermédiaire basé sur la résolution des équations de Navier-Stokes sur un maillage adaptatif en utilisant la méthode des caractéristiques et de décomposition des opérateurs couplée à une parallélisation des calculs.The spread of mechanical cooling systems resulted in increased power consumption, psychological effects on people and a kind of addiction among occupants Who do not tolerate indoor temperature variations. We are currently witnessing the emergence of a trend pushing towards new standards that recognize the historical adaptive concept. This is actually, in our opinion, the first step towards a sustainable architecture that will manage, in a more respectful way, the integration of buildings in their natural environment. However, there is still a consistent work that needs to be done to enhance our knowledge on natural ventilation in order to achieve optimized control strategies. From our point of view, this will require the development of two types of simulation tools : tools to be used by architects to help make preliminary choices during the design phase where the most important and sometimes irreversible decisions are taken; tools to achieve detailed simulations of air flow patterns in order to validate and refine the basic choice. These tools must be efficient and capable to adapt to any type of construction and change in boundary conditions while preserving a reasonable simulation time. This thesis is built around these two ideas : we proposed a design approach based on the inversion of simplified numerical models in order to size natural ventilation openings. Then, we developed an intermediate more detailed model based on solving Navier-Stokes equations on an adaptive mesh using the method of characteristics and operator's splitting coupled to parallel computing.CHAMBERY -BU Bourget (730512101) / SudocSudocFranceF