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HAL Id: tel-01373452 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01373452 Submitted on 28 Sep 2016 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Étude du rafraîchissement passif de bâtiments commerciaux ou industriels Remon Lapisa To cite this version: Remon Lapisa. Étude du rafraîchissement passif de bâtiments commerciaux ou industriels. Thermique [physics.class-ph]. Université de La Rochelle, 2015. Français. NNT : 2015LAROS031. tel-01373452 UNIVERSITE DE LA ROCHELLE École doctorale Sciences et Ingénierie en Matériau, Mécanique, Énergétique et Aéronautique (SI-MMEA) Laboratoire des Sciences de l’Ingénieur pour l’Environnement Thèse de doctorat de l’Université de La Rochelle Spécialité : Énergétique et Thermique ETUDE DU RAFRAICHISSEMENT PASSIF DE BATIMENTS COMMERCIAUX OU INDUSTRIELS Remon LAPISA Thèse soutenue le 16 décembre 2015 Devant le jury, composé de : Gilles FRAISSE Professeur, Université de Savoie Rapporteur Joseph VIRGONE Professeur, Université Claude Bernard Lyon 1 Rapporteur Dominique MARCHIO Professeur, Mines ParisTech Examinateur Rémi PERRIN Directeur R & D, SOPREMA Examinateur Marc O. ABADIE Maître de conférences, Université de La Rochelle Co-encadrant Emmanuel BOZONNET Maître de conférences, Université de La Rochelle Co-encadrant Patrick SALAGNAC Professeur, Université de La Rochelle Directeur de thèse 2 3 Remerciements Ce travail de thèse a été réalisé au sein du Laboratoire de Sciences pour l’Ingénieur et l’Environnement (LaSIE) de l’université de La Rochelle – France, grâce au financement du Gouvernement Indonésien (Kementerian Riset Teknologi dan Pendidikan Tinggi Republik Indonesia). Je tiens à remercier vivement mes directeurs de thèse, Patrick Salagnac, Marc Olivier Abadie et Emmanuel Bozonnet, pour leur encadrement, leurs conseils, leurs remarques pertinentes et leurs nouvelles idées tout au long de l’étude qui m’ont permis d’approfondir mes connaissances. Je suis très reconnaissant envers eux car ils m’ont fait partager pendant ces trois années leurs connaissances et expériences. Merci à M. Gilles Fraisse et M. Joseph Virgone qui ont accepté d’être rapporteurs de ce mémoire de doctorat, qu’ils ont relu de façon approfondie avec de nombreuses remarques très enrichissantes. Merci beaucoup à M. Dominique Marchio et M. Rémi Perrin d’avoir participé au jury de thèse. Ma gratitude va aussi à toutes les personnes qui ont participé à l’élaboration de manière indirecte à ce document car c’est grâce à eux que j’ai pu réaliser ce manuscrit de thèse. Mes remerciements vont également à tous les amis et les collèques du LaSIE qui m’ont entouré pendant ces trois années et avec qui j’ai partagé de nombreux bons moments. Je tiens à remercier également mes parents, mes frères et soeurs malgré la distance, ils m’ont permis de mener ces études et m’ont soutenu. Enfin, un très grand merci à Zahra, Naf’an et Faiz qui m’ont soutenu et encouragé, sans leur patience et leur soutien, je n’aurais pas pu aboutir à ce manuscrit. 5 Résumé Étude du rafraîchissement passif de bâtiments commerciaux ou industriels Les bâtiments commerciaux et industriels présentent une part non négligeable de la demande énergétique. L’objectif de ce travail de thèse est d’étudier par des simulations numériques, le comportement thermoaéraulique des bâtiments de grand volume à usage commercial ou industriel et d’améliorer leurs performances afin de réduire leurs consommations énergétiques tout en assurant le confort thermique des occupants. La première partie de l’étude consiste à définir et à évaluer les paramètres d’enveloppe et de ventilation qui affectent la consommation d’énergie et le confort thermique de ce type du bâtiment. À travers des modèles développés (multizone et zonal) sur un bâtiment « générique », nous présentons l’impact des paramètres les plus importants (orientation du bâtiment, isolation thermique de l’enveloppe, propriétés radiatives de la toiture, sol, inertie thermique interne, diffusion de l’air…) sur la consommation énergétique et le confort. Ces paramètres sont déterminants surtout dans la conception de la toiture et du plancher de par leur influence sur les performances énergétiques du bâtiment étudié. Cette modélisation thermoaéraulique est ensuite appliquée à un bureau-entrepôt commercial existant. L’exploitation du modèle, dont les résultats sont confrontés aux mesures, et des études paramétriques permettent de démontrer l’efficacité de stratégies de ventilation naturelle nocturne. Dans la deuxième partie, nous évaluons certaines solutions de rafraîchissement passif (isolation thermique, ventilation naturelle nocturne, revêtement de toiture « cool roof ») permettant de maintenir le confort thermique en hiver aussi bien qu’en été tout en minimisant la consommation énergétique. Enfin, une étude d’optimisation nous permet de déterminer les paramètres optimums en fonction des conditions climatiques et des deux objectifs de confort et de performance énergétique. Ce travail ouvre de nombreuses perspectives sur la méthodologie de conception des enveloppes et l’adaptation du fonctionnement des installations de ventilation pour le rafraîchissement passif des bâtiments. Mots clés : bâtiment commercial-industriel, grand volume, simulation thermoaéraulique, performances énergétiques, confort thermique, ventilation naturelle nocturne, cool roof, toiture-terrasse, optimisation énergétique, lanterneaux, inertie thermique des sols. 7 Abstract Passive cooling study of low-rise commercial or industrial building Commercial and industrial buildings represent a significant part of total energy demand. The objective of this thesis is to study the thermal behavior and airflows of commercial or industrial buildings (low-rise and large volume) by numerical simulations, to improve their thermal performance in order to reduce their energy consumption while maintaining thermal comfort of the occupants. The first part of this study consists in identifying and evaluating the keys factors that affect the energy demand and thermal comfort of these buildings. Using the developed models (multizone and zonal), we present the impact of the most important parameters (building orientation, thermal insulation, radiative properties of the roof, soil, internal thermal inertia, air diffusion…) on energy consumption and thermal comfort. We have identified here that the main influencing parameters can be found in the design of the roof and the ground floor considering the energy performance of the studied building. The developed model is then applied to a real commercial building. Results showed that the predictions are in good agreement with the measurements and that night-time natural ventilation can be an efficient passive cooling technique to avoid overheating in summer. In the second part, we evaluate the efficiency of different passive cooling techniques (thermal insulation, night-time natural ventilation, cool roof…) applied to ensure the thermal comfort in winter as well as in summer while minimizing the energy consumption. Finally, an optimization study is proposed to determine the optimal set of parameters for both objective functions considering the passive cooling techniques and the energy demand according to different climatic zones. Keywords : commercial-industrial buildings, large volume, building energy and airflow simulation, energy performance, thermal comfort, night-time natural ventilation, cool roof, flat roof, energy optimization 9 Table des matières Remerciements ..................................................................................................... 3 Résumé.................................................................................................................. 5 Abstract ................................................................................................................ 7 Table des matières ............................................................................................... 9 Nomenclature ..................................................................................................... 15 Introduction générale ........................................................................................ 19 Chapitre I Étude bibliographique sur les bâtiments à usage commercial ou industriel ................................................................................................... 21 I.1 Problématiques de l’efficacité énergétique et du confort thermique ................ 21 I.1.1 Contextes énergétiques ........................................................................................................ 21 I.1.2 Caractéristiques structurelles des bâtiments commerciaux et industriels ............................ 22 Grand volume ............................................................................................................ 22 I.1.2.1 Grandes surfaces horizontales .................................................................................. 23 I.1.2.2 Structure légère à ossature métallique ...................................................................... 24 I.1.2.3 Masse thermique importante des rayonnages ........................................................... 24 I.1.2.4 I.1.3 Équipements techniques ...................................................................................................... 25 Chauffage et climatisation ......................................................................................... 25 I.1.3.1 Éclairage ................................................................................................................... 26 I.1.3.2 Ventilation mécanique ............................................................................................... 26 I.1.3.3 I.2 Modélisation d’un bâtiment à usage commercial / industriel ........................... 28 I.2.1 Modélisation thermique du bâtiment de grand volume ....................................................... 28 Méthode monozone .................................................................................................... 28 I.2.1.1 Méthode multizone (nodale) ...................................................................................... 29 I.2.1.2 Méthode zonale .......................................................................................................... 30 I.2.1.3 Conclusion ................................................................................................................. 31 I.2.1.4 I.2.2 Points clés de la modélisation d’un bâtiment à usage commercial / industriel ................... 31 10 Transferts thermiques par le plancher ...................................................................... 31 I.2.2.1 Transferts thermiques par la toiture .......................................................................... 40 I.2.2.2 Inertie thermique des rayonnages ............................................................................. 42 I.2.2.3 Aéraulique ................................................................................................................. 44 I.2.2.4 I.2.3 Évaluation du confort thermique ......................................................................................... 48 Paramètre d’évaluation du confort thermique .......................................................... 49 I.2.3.1 Modèles de confort thermique ................................................................................... 50 I.2.3.2 Inconfort thermique local .......................................................................................... 53 I.2.3.3 I.3 Stratégies d’amélioration des performances énergétiques et du confort ......... 53 I.3.1 Méthodes passives pour améliorer la performance énergétique d’un bâtiment .................. 54 I.3.2 Méthodes passives de rafraîchissement pour le confort d’été ............................................. 55 Ventilation naturelle nocturne ................................................................................... 57 I.3.2.1 Revêtement « cool roof » ........................................................................................... 57 I.3.2.2 I.4 Conclusions ............................................................................................................ 59 Chapitre II Étude du comportement thermoaéraulique d’un bâtiment commercial : modélisation d’un bâtiment générique ............................... 61 II.1 Introduction ........................................................................................................... 61 II.2 Présentation du bâtiment ...................................................................................... 61 II.2.1 Caractéristiques de l’enveloppe ........................................................................................... 62 II.2.2 Aménagements intérieurs .................................................................................................... 63 II.2.3 Occupants ............................................................................................................................ 64 II.2.4 Équipements techniques ...................................................................................................... 64 Système de chauffage/climatisation ........................................................................... 64 II.2.4.1 Éclairage artificiel .................................................................................................... 64 II.2.4.2 Ventilation mécanique contrôlée (VMC) ................................................................... 65 II.2.4.3 II.3 Modélisation thermoaéraulique ........................................................................... 66 II.3.1 Couplage des modèles ......................................................................................................... 66 II.3.2 Modèle aéraulique ............................................................................................................... 66 Débit de renouvellement d’air par infiltration .......................................................... 66 II.3.2.1 Coefficient de pression .............................................................................................. 67 II.3.2.2 Coefficient de uploads/Litterature/ 2015-lapisa-75371.pdf