Calcul Aéraulique

Le calcul Aéraulique en STD

2 vidéos de présentation explicitent les différences entre les saisies simplifiée et détaillée des ventilations en STD :

Vous pouvez aussi consulter le webinaire ci-dessous qui répond aux questions plus pointues :

La saisie simplifiée est à utiliser quand il n'y a pas de mouvement d'air entre les zones thermiques. Par exemple, dans le cas d'un immeuble de logements, on peut faire un zonage qui prévoit un appartement par zone. On utilisera alors la saisie simplifiée pour affecter un scénario de ventilation externe par appartement. Dans le cas où il y a des mouvements d'air entre les zones, il est préférable d'utiliser la saisie détaillée (calcul aéraulique). Le logiciel calculera alors les différentiels de pression issus de la prise en compte des systèmes de ventilation, des menuiseries, des perméabilités des parois, de l'exposition au vent pour en déduire les mouvements d'air entre les pièces et donc entre les zones.

1 Le principe du calcul aéraulique par COMFIE

Le calcul aéraulique de COMFIE effectue le calcul des débits d'air entre pièces, s'appuyant, lorsque c'est nécessaire, sur le calcul de la pression dans chaque pièce à chaque pas de temps.

Il prend en considération les débits d'air liés à :

• la ventilation mécanique,
• la ventilation naturelle, comprenant :
  • les infiltrations,
  • les tirage thermique,
  • les ouvertures de menuiserie,

Le calcul aéraulique de COMFIE reprend différents modèles aérauliques éprouvés, tels que ceux du logiciel CONTAM. Il a été réalisé initialement dans le cadre de la thèse de doctorat de Maxime Trocmé, puis amélioré et finalisé par IZUBA énergies.

Les principaux algorithmes mis en œuvre sont décrits dans le document "Calcul aéraulique" présent dans le dossier IZUBA énergies depuis le menu Démarrer de Windows.

Le logiciel calcule le tirage thermique entre les différentes pièces et avec l'extérieur. Il ne calcule cependant pas la stratification de la température à l'intérieur des locaux. Le calcul de la température résultante reste lié au bilan énergétique de la zone considérée.

Pleiades, dans son calcul de STD/SED, ne gère pas la stratification de l'air. Il n'est donc pas possible, pour un même volume, de connaître la température en haut, en bas, à gauche ou à droite dans ce volume. En effet, le calcul est réalisé de manière globale au niveau de la zone thermique. Il faut accepter cette limitation du logiciel pour laquelle il n'existe aucune "astuce" fiable de contournement. Ainsi, un volume unique (sans séparation par des parois fermées) doit absolument être considéré dans la même zone thermique (et sera a priori fusionné pour ne constituer qu'une seule pièce). La notion de hauteur sous plafond élevée ne pose pas de problème dans la mesure où l'on accepte que les résultats obtenus seront moyennés sur l'ensemble du volume (comme s'il y avait en permanence des brasseurs d'air qui homogénéisaient la température à l'intérieur du volume). Cela reste préférable à avoir des résultats plus précis spatialement mais faux, car reposant sur des hypothèses ou des calculs inadaptés.

Visionner le webinaire qui vous en dira plus sur toutes ces questions de ventilation.

1.1 Utilisation

Le calcul aéraulique de COMFIE n'est réalisé que sur les pièces des zones localisées dans les enveloppes aérauliques du projet. Pour ces zones, la méthode "simplifiée" de COMFIE de gestion des ventilations ne s'applique pas. Il n'est donc pas possible de leur affecter de scénario de renouvellement d'air.

Ici, on entend par "pièce" un volume d'air fermé, connexe et non compartimenté. Pour s'assurer que les pièces du projet Pleiades respectent cette définition, il est indispensable d'activer la fonction Fusionner les pièces avec des parois ouvertes au moment de l'export du projet depuis le Modeleur, sans quoi la modélisation et les résultats seront faux.

Pour les zones se trouvant hors enveloppe aéraulique, seule la saisie "simplifiée" des ventilations est possible : il n'y a pas de calcul de pression des pièces ni des débits induits. Pour ces zones, il est donc nécessaire de spécifier les scénarios de ventilation externes et internes.

Pour activer le calcul aéraulique de COMFIE, il est nécessaire de cocher la case correspondante dans l'onglet Simulation.

Il est possible de combiner une saisie détaillée (calcul aéraulique) pour une partie des zones et une saisie simplifiée pour une autre partie dont vous ne maitriseriez pas, par exemple, le niveau d'étanchéité à l'air. Comme le calcul aéraulique peut fortement ralentir les calculs, vous pourriez aussi avoir intérêt à ne pas réaliser ce calcul sur la totalité du bâtiment. Dans cette configuration, il n'y a pas de mouvement d'air entre les zones dans l'enveloppe aéraulique et celles hors de l'enveloppe aéraulique sauf par les portes ouvrables (dans ce cas, la zone thermique hors enveloppe aéraulique est considérée comme étant à la pression extérieure et les débits seront calculés dans ce contexte).

Les équipements de ventilation (bouches, entrées d'air et ventilateur) ne sont pris en compte que s'ils sont affectés à une zone thermique d'une enveloppe aéraulique. Pour les zones situées hors enveloppe aéraulique, ce sont les scénarios de ventilation internes et externes qui sont pris en compte.

Pour que les calculs aéraulique soient cohérents, il est nécessaire que les différents volumes sans séparation (parois ou plancher ouvert) soient regroupés en une seule et même pièce (après fusion) et soient donc dans la même zone thermique. Si ce n'est pas le cas, lors du calcul, un message (qui ne bloque le calcul) le signalera. Si des pièces séparées par des parois ouvertes ne sont pas fusionnées, alors les échanges aérauliques entre ces différents volumes ne sont pas correctement calculés. D’où ce message de calcul aéraulique faussé. Il est donc important que les volumes identiques soient regroupés en une seule et même pièce via la fusion de ces pièces.

1.2 Les données d'entrée spécifiques

• Les données météorologiques (vitesse et direction) caractérisant le vent.
• Les caractéristiques de hauteur et d'exposition au vent du bâtiment
• La ou les enveloppes aérauliques du projet, qui comporte les caractéristiques de perméabilité à l'air globales et par défaut de l'enveloppe
• Les bouches de soufflage ou d'extraction
• Les bouches d'entrée d'air
• Les conditions d'ouverture des menuiseries (extérieure et intérieure)
• L'éventuel détalonnage des portes
• Les ventilations mécaniques qui peuvent gérer la récupération de chaleur et le prétraitement de l'air

1.3 Prise en compte du vent

La vitesse et l'orientation du vent sont lues, pour chaque heure, dans le fichier météo. Si le fichier météo ne dispose pas de ces données, le logiciel appliquera les valeurs par défaut que vous aurez indiquées dans l'arborescence au niveau du projet.

La vitesse du vent fournie par un fichier météo est conventionnellement mesurée à 10 m du sol en terrain dégagé. Or, plus près du sol, cette vitesse est généralement plus faible que la vitesse mesurée du fait du frottement de l'air avec le sol et les obstacles qui peuvent y être présents (arbres, bâtiments, etc.). Deux fonctionnalités permettent d'ajuster la vitesse du vent prise en compte :

• un facteur de correction, qui sera appliqué à la vitesse du vent pour la réduire ou l'augmenter selon que ce coefficient est inférieur ou supérieur à 1.
• (depuis la version 4.18.8.0 de Pleiades) une correction de la vitesse du vent en fonction de la hauteur de l'ouverture par rapport au sol selon la méthode préconisée par l'ASHRAE dans son Handbook of Fundamentals (2005). La vitesse du vent pourra alors être réduite pour les faibles hauteurs, légèrement accrue pour les grandes hauteurs, en fonction du type de terrain.
  

Ces deux fonctionnalités sont accessibles depuis l'arborescence au niveau du projet>Site et météo>Paramètres aérauliques experts :

Pour terminer, l'effet du vent sur le débit de l'air circulant à travers une ouverture ou une entrée d'air est fonction du "coefficient de pression" qui dépend de l'orientation du vent par rapport à la paroi considérée. En effet, selon cette orientation relative, le vent pourra créer une surpression ou une dépression, favorisant respectivement l'insufflation ou l'aspiration de l'air.

1.4 Les sorties du calcul

Le calcul aéraulique fournit :

• Les débits au niveau de chaque entrée d'air, de chaque ouverture
• Le taux d'ouverture des grandes ouvertures
• Les débits et volumes d'air neuf dans les pièces
• Les températures d'air soufflé ou repris au niveau des bouches

Les débits calculés sont utilisés pour en déduire les échanges thermiques résultants de l'entrée d'air dans les différentes zones du bâtiment.

Les différences de pressions inter-zone connues permettent, via des formulations empiriques ou semi-empiriques, de déterminer les débits d’air inter-zone. Deux types de connexions sont considérés : les "petites" ouvertures caractérisant les défauts d’étanchéité de l’enveloppe et les entrées d'air et les "grandes" ouvertures qui représentent les ouvertures volontaires (portes, fenêtres).

Il est possible d'utiliser les graphiques experts pour visualiser :

• les débits d'air des bouches;
• les débits d'air des entrées d'air;
• les débits d'air entrant et sortant par les menuiseries;
• les débits d'infiltrations entrants et sortants d'une zone thermique.

2 Les éléments du projet concernés par le calcul aéraulique

Les saisies concernant le calcul aéraulique s'effectuent sur 5 types d'éléments.

2.1 L'enveloppe aéraulique

Au niveau de l'enveloppe aéraulique, il faut spécifier la perméabilité à l'air globale de l'enveloppe et la manière dont cette perméabilité se répartit sur les différents types de parois. Cela ne concerne que les parois externes de l'enveloppe. Les "experts" (que vous êtes probablement) peuvent aussi détailler la perméabilité des parois internes par défaut du bâtiment. Au niveau des zones, il existe des possibilités de saisie supplémentaires concernant la ventilation : en particulier au niveau des pièces, des parois, des ouvertures et du système de ventilation mécanique.

Les infiltrations sont modélisées par une loi empirique de puissance :

2.2 Les bouches de ventilation

Vous pouvez ajouter des bouches de soufflage ou d'extraction dans les pièces situées dans une enveloppe aéraulique. Plusieurs options sont disponibles pour imposer le débit (fixe, scénario, bouche de bibliothèque) et pour indiquer l'origine ou la destination de l'air (extérieur, ventilation mécanique, scénario de température ou température fixe). Le débit renseigné au niveau des bouche est pris comme condition aux limites du modèle aéraulique.

2.3 Les entrées d'air

Au niveau des parois, il est possible de définir des entrées d'air. Il est nécessaire de spécifier leur hauteur par rapport au plancher de la pièce afin de pouvoir calculer l'effet du tirage thermique. Comme pour les infiltrations, les entrées d'air sont caractérisées par une loi empirique de puissance :

Pour les entrées d'air auto-réglables, cette loi de puissance est ajustée pour prendre en compte la plage d'autorégulation :

2.4 Les grilles d'aération

De manière analogue aux entrées d'air, il est possible d'affecter des grilles d'aération aux parois, en particulier aux parois intérieures du bâtiment. Le modèle aéraulique est similaire mais la caractérisation est réalisée par la section et le coefficient décharge.

2.5 Les conduits d'aération verticaux

Le modèle reprend la formulation des pertes de charges linéiques selon la loi de Darcy-Weisbach, mais ne tient pas compte des pertes de charge singulières (coudes, filtres etc.). La canalisation est saisie dans la pièce où est située son entrée. Sa sortie est supposée à l'extérieur.

Le modèle utilisé n'est valable que pour les canalisations longues (longueur > 30 fois le diamètre).

2.6 Les ouvertures

Les ouvertures, portes ou fenêtres, comprennent un certain nombre de caractéristiques utilisées par le calcul aéraulique:

Ces informations sont :

• l'allège

L'allège est utilisée pour le calcul du tirage thermique exercé par l'ouverture.

• le type défini en bibliothèque, pour les portes

Le détalonnage éventuel des portes est défini en bibliothèque dans les caractéristiques générales de celle-ci.

• l'ouverture

Le mode d'ouverture des portes et fenêtres est défini en bibliothèque dans les caractéristiques générales de celle-ci. Les paramètres d'ouverture peuvent être ajustés par l'utilisateur en bibliothèque.

• la classe d'exposition au bruit

La classe d'exposition au bruit est celle définie dans le calcul réglementaire RT2012 . Elle est utilisée dans le cas où une ouverture de baie manuelle est appliqué à une fenêtre extérieure. Dans ce cas, suivant la méthode Th-BCE, le logiciel considère des pourcentages d'ouverture plus faibles pour des façades exposées au bruit.

• la perméabilité à l'air

L'indicateur Q_{4Pa_Surf} est calculé automatiquement à partir de la perméabilité à l'air globale de l'enveloppe aéraulique sur laquelle se situe la paroi. Comme pour les parois, il est possible de forcer cette valeur de perméabilité.

Les portes peuvent être détalonnées. Sur les fenêtres comme sur les portes, il faut spécifier une ouverture : - Toujours fermé - Toujours ouvert - Scénario d'ouverture - Ouverture dynamique suivant la méthode Th-BCE

À travers une grande ouverture, les phénomènes physiques sont variés (écoulements en régimes permanent et turbulent, recirculation de l’air à la couche limite thermique) et l’air peut s’écouler dans plusieurs directions.

Comfie utilise le modèle à deux flux, définit par Walton, proposant une solution analytique intégrable dans le réseau aéraulique du bâtiment. Cette approche a pour objectif de représenter le débit d’air par un seul élément en calculant au préalable la position du plan neutre.

Pour les calculs aérauliques, il est donc important de bien renseigner les menuiseries intérieures et leur éventuel détalonnage pour que l'air puisse circuler entre les pièces. Ainsi, si une pièces ne dispose d'aucune menuiserie et que les parois intérieures sont étanches (éventuellement modifiable via les paramètres expert de l'enveloppe aéraulique), alors une bouche d'extraction ou de soufflage affectée à cette pièce n'aura aucune incidence puisque l'air ne pourra ni y entrer ni en sortir. Les fenêtres et portes donnant sur des zones situées hors enveloppe aéraulique ne sont pas prises en compte.

2.7 La ventilation mécanique

La ventilation mécanique utilisée par les bouches s'affecte au niveau du projet. Elle permet de prendre en compte:

• l’échangeur double flux et son by-pass,
• les consommations des ventilateurs,
• le recyclage éventuel de l'air repris,
• la surventilation nocturne,
• les prétraitements chaud et froid éventuels de l'air soufflé.