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Thermique et a´ eraulique des bˆ atiments : une contribution sp´ eciﬁque, sa va

Thermique et a´ eraulique des bˆ atiments : une contribution sp´ eciﬁque, sa validation et ses applications Harry Boyer To cite this version: Harry Boyer. Thermique et a´ eraulique des bˆ atiments : une contribution sp´ eciﬁque, sa validation et ses applications. Other. Universit´ e de la R´ eunion, 1999. <tel-00762910> HAL Id: tel-00762910 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00762910 Submitted on 9 Dec 2012 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 destin´ ee au d´ epˆ ot et ` a la diﬀusion de documents scientiﬁques de niveau recherche, publi´ es ou non, ´ emanant des ´ etablissements d’enseignement et de recherche fran¸ cais ou ´ etrangers, des laboratoires publics ou priv´ es. N°d'ordre Année 1999 Mémoire présenté DEVANT L'UNIVERSITE DE LA REUNION pour obtenir Le grade de Docteur HABILITE A DIRIGER LES RECHERCHES SPECIALITE : GENIE CIVIL ET SCIENCES DE LA CONCEPTION présenté par Harry BOYER Ingénieur de l'Institut des Sciences de l'Ingénieur de Montpellier (ISIM) Docteur de l’Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon) Maître de conférences à l’Université de La Réunion Département de Physique - Mécanique Laboratoire de Génie Industriel Thermique et aéraulique des bâtiments : une contribution spécifique, sa validation et ses applications A soutenir le 6 Décembre 1999 devant la commission d'examen Jury J. BRAU Professeur, Institut National des Sciences Appliquées de Lyon G. ACHARD Professeur, Université de Savoie A. DELSANTE Dr., CSIRO, Adelaïde (Australie) J. C. GATINA Professeur, Université de la Réunion P. HERVE Professeur, Université de la Réunion O. SERO-GUILLAUME Directeur de Recherches CNRS, LEMTA, INPL Nancy =============================================================================== Sommaire Avant propos Résumé Introduction Chapitre 1 : Introduction à notre activité de recherche 1 LE CONTEXTE DE NOTRE ACTIVITE 12 1.1 CURRICULUM VITAE 12 1.2 ACTIVITE PROFESSIONNELLE ANTERIEURE AU DOCTORAT : 14 1.3 LE CONTEXTE DU LABORATOIRE DE GENIE INDUSTRIEL 15 2 CONTRIBUTION EN MODELISATION : 22 2.1 EN THERMIQUE DES BATIMENTS 22 2.2 CONTRIBUTION EN MODELISATION DANS DES DOMAINES CONNEXES 37 2.3 PERSPECTIVES LIEES A LA MODELISATION HYBRIDE 39 3 CONTRIBUTION A LA VALIDATION : 42 3.1 LES SUPPORTS DE MESURE 42 3.2 LA METHODOLOGIE 50 3.3 CONFRONTATIONS EXTERIEURES 53 4 UNE APPLICATION A GRANDE ECHELLE : LE LABEL ECODOM 61 Chapitre 2 :Analyse de sensibilité et d’incertitude en thermique du bâtiment 1. INTRODUCTION : 66 2. REVUE DES METHODES EN THERMIQUE DES BATIMENTS 68 2.1. METHODES PROBABILISTES D’ANALYSE D’INCERTITUDE 68 2.2. METHODES DETERMINISTES D’ANALYSE DE SENSIBILITE 69 3. INTEGRATION DANS L’ENVIRONNEMENT CODYRUN : 72 3.1. ANALYSE D’INCERTITUDE : 72 3.2. ANALYSE DE SENSIBILITE 76 4. UNE CONTRIBUTION METHODOLOGIQUE A L’ANALYSE DE SENSIBILITE : 76 4.1. LA METHODE PROPOSEE : 77 4.2. LE LIEN AVEC L’ANALYSE DE REGRESSION 78 4.3. UNE APPLICATION AVEC LA CELLULE EXPERIMENTALE 81 5. VARIATIONS AUTOUR DE LA CELLULE LGI : 84 5.1. SCREENING ET ANALYSE D’INCERTITUDE MCA: 84 5.2. SCREENING, DSA ET ANALYSE D’INCERTITUDE MCA : 86 6. QUELQUES PERSPECTIVES EN LIAISON AVEC NOS AUTRES TRAVAUX : 86 =============================================================================== Chapitre 3 : Automatique des systèmes d’état et thermique des bâtiments 1. L’APPLICATION DE L’AUTOMATIQUE LINEAIRE MONOVARIABLE: 92 2. LE FORMALISME D’ETAT : 92 3. RAPPELS SUR LA METHODE MODALE : 95 3.1. ANALYSE MODALE 95 3.2. REDUCTION MODALE : 97 3.3. SYNTHESE MODALE : 97 4. LIMITATIONS ET AMENAGEMENTS POUR CODYRUN : 98 4.1. THERMO-AERAULIQUE ET STATIONNARITE. 98 4.2. LE CHOIX DES VARIABLES DE SOLLICITATIONS RADIATIVES EXTERIEURES 99 4.3. NECESSITE DE L’ECRITURE DE BILANS DE FLUX : 99 4.4. LE TRAITEMENT DES ECHANGES RADIATIFS INTERIEURS : 100 4.5. PRISE EN COMPTE DE L’INERTIE DES VITRAGES 100 5. APPLICATION DE LA REDUCTION MODALE : 100 6. PERPECTIVES DE RECHERCHE A COURT ET PLUS LONG TERME : 104 6.1. ANALYSE DE SENSIBILITE ET SYSTEME D’ETAT : 104 6.2. APPLICATION DE LA THEORIE DES OBSERVATEURS A LA MESURE : 107 6.3. APPLICATION DE LA REDUCTION EN REGULATION : 111 Conclusion Bibliographie Annexes A : Liste exhaustive des publications B : Encadrement doctoral et participation à des jurys C : Enseignement et activité pédagogique D : Responsabilité de contrats de recherche E : Principales publications (document séparé) AVANT - PROPOS Ce document décrit mes activités scientifiques menées au sein du Laboratoire de Génie Industriel (L.G.I., JE 405), en tant que responsable de l’équipe Génie civil, ainsi que celles liées à ma fonction de Maître de Conférences au Département de Physique Mécanique de l’Université de La Réunion. Notre activité de recherche a pour cadre celui de la Thermique du bâtiment et pour ma part plus spécifiquement celle de la modélisation du comportement thermo-aéraulique d’enveloppes et de systèmes associés. La partie centrale de ce mémoire est celle présentant nos activités de recherche, mettant en avant notre contribution tant en matière de modélisation de systèmes complexes, de la validation de tels modèles ou encore d’application à grande échelle de nos travaux. Une présentation des recherches en cours au sein de l’équipe est effectuée et ainsi que des perspectives que nous traçons pour les années futures. Enfin, je décris également dans ce document mes activités d’enseignement et administratives, ainsi que divers aspects synthétisant l’activité des années précédentes (principales publications, liste exhaustive des travaux publiés, … ). Résumé Habilitation à Diriger les Recherches ___________________________________________________________________________ Résumé La première partie présente le contexte de l’activité recherche dont le thème principal est celui de la thermique et de l’énergétique des bâtiments. En tant que responsable de l’Equipe génie civil au sein du Laboratoire de Génie Industriel, j’évoque la structuration progressive d’un environnement recherche vis à vis de différents aspects. La contribution spécifique en modélisation thermo-aéraulique et multi-modèle du bâtiment est ensuite abordée (code de calcul CODYRUN), en insistant sur les prolongements donnés à ce travail, tant en matière de modélisation, de validation (méthodologie, expérimentation) et d’application à grande échelle de nos travaux dans le cadre d’un label applicable aux Départements d’Outremer Français. A court et moyen terme, l’analyse de sensibilité et d’incertitude appliquées à notre domaine constituent une première perspective intéressante et forment ainsi le deuxième chapitre. Une revue des méthodes et de leur application dans notre domaine a débouché d’une part sur l’intégration à notre code de calcul de l’analyse d’incertitude statistique, à des fins de validation. D’autre part, une contribution méthodologique originale est présentée pour l’analyse paramétrique, basée sur la propagation de signaux déterministes dans un modèle (de bâtiment, par ex.) pour en déterminer les coefficients de sensibilité. Des confrontations probantes des résultats de cette méthode avec celle statistique sont alors présentées. Enfin, les applications du formalisme de l’Automatique des systèmes d’état forment la dernière partie. Après une présentation des outils mathématiques et des applications classiques (analyse et réduction modale), un développement spécifique a été conduit autour d’un de nos supports expérimentaux, avec pour objectif atteint de cerner les modifications à apporter à CODYRUN en vue de l’intégration d’algorithmes de réduction, dans une optique d’analyse et de diminution du temps calcul. Au rang des perspectives long terme, la théorie des observateurs appliquée à la mesure ainsi que l’utilisation des modèles réduits en vue de la commande de systèmes de traitement d’air clôturent ce chapitre. Résumé Habilitation à Diriger les Recherches ___________________________________________________________________________ Introduction Dans le domaine de l’énergétique des bâtiments, le modèle numérique est devenu en quelques années un outil très utilisé. Ainsi, des modèles de simulation ont été développés durant les années 1980 essentiellement dans l’hémisphère nord, pour répondre à des besoins de dimensionnement de l’enveloppe en terme d’isolation et pour estimer le coût d’exploitation des systèmes de conditionnement de l’air. L’étude du comportement thermique d’une cellule d’habitation fait appel au traitement des transferts couplés de masse et de chaleur, par conduction au travers des parois, rayonnement et convection aux surfaces. Un calcul rigoureux fait ainsi appel à des modèles mathématiques complets et par là même complexes dans leur mise en œuvre. C’est la raison pour laquelle de nombreux auteurs se sont orientés vers une simplification des outils tout en conservant un degré de précision suffisant. Cependant, avec les progrès réalisés par la puissance des stations de travail courantes, la simulation thermique des bâtiments s’attaque depuis quelques temps à la résolution de problèmes complexes : bâtiments présentant un grand nombre de zones, prise en compte des phénomènes aérauliques, dispersion des polluants, migration de l’humidité au sein des parois, couplage avec des systèmes de traitement d’air, … Compte tenu des objectifs visés, des progrès réalisés en matière de modélisation, il est à noter que les outils disponibles balaient un large spectre, depuis l’outil très simplifié à l’usage de concepteurs (monozone, sans aéraulique, ...) à celui très détaillé à l’usage exclusif du physicien du bâtiment. De par la disparité des objectifs, la grande variété des cas rencontrés (par ex. de 1 à 100 zones), l’adéquation entre le modèle, le bâtiment, les objectifs et les contraintes de temps calcul ne sont pas faciles à concilier. Dans la dernière décennie, plus de 100 programmes de simulation ont ainsi été développés. Une grande majorité uploads/Science et Technologie/ manuscrit-hdr-harryboyer.pdf