La Simulation Thermique Dynamique

Techniques & Logiciels
La Simulation Thermique Dynamique
Présentation de l’étude
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0
Rédigé par
Création du document
Date
Marion DUPRE et Thomas DELMAS
Vérifié par
26/02/14
Laurent PAYET
Principe
La simulation thermique dynamique (STD) est une étude thermique qui permet de modéliser le comportement
thermique d’un bâtiment sur une année grâce à un calcul effectué selon un pas horaire.
Pour décrire ce comportement, les logiciels de STD s’appuient sur les données suivantes :

La position géographique du site

Le concept architectural

Les masques intégrés du bâtiment

Les masques lointains ou proches de son environnement

Les caractéristiques thermiques de ses parois et de ses vitrages

Les sources de chaleur internes liées à son utilisation théorique.
Par ailleurs, et contrairement au calcul thermique statique de type RT, ces logiciels permettent également de
prendre en compte les éléments suivants :

La météorologie locale du site d’implantation

L’inertie du bâtiment

Les apports solaires passifs.
Une STD peut être utilisée pour atteindre un ou plusieurs des objectifs suivants :

Optimiser
le
concept
architectural
d’un
bâtiment
(optimisation
des
épaisseurs
d’isolant,
dimensionnement des protections solaires, choix du système constructif, minimisation du besoin thermique
d’un bâtiment…)

Choisir l’orientation optimale d’un projet

Evaluer les risques de surchauffes estivales dans une zone précise d’un bâtiment
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
Evaluer les besoins énergétiques d’un bâtiment

Préconiser des températures
de
consigne
de fonctionnement permettant de minimiser les
consommations énergétiques futures…
Apports
solaires
Echanges par
renouvellement d’air
Echanges par
les parois
Apports internes
occupants/équipements
Inerti
e
Représentation de l’équilibre thermique d’un local
Le comportement thermique de l’objet simulé peut être défini grâce à de nombreux paramètres qui constituent le
résultat du calcul :

Besoin de chauffage (kWh/m².an)

Besoin de climatisation (kWh/m²/an)

Indices de confort
-
Surchauffe maximale
-
Taux d’inconfort
-
Amplification de la température extérieure

Diagramme de Sankey (modélisation graphique des besoins et déperditions)

Evolution des températures suivant plusieurs échelles de temps

Apports solaires

Histogramme des températures atteintes en fonction du temps…
Diagramme de Sankey
Dauchez Payet
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Logiciel
Le logiciel utilisé par Dauchez Payet pour réaliser cette étude est PLEIADES+COMFIE développé par IZUBA
Energies. Il est composé de deux modules principaux : ALCYONE et PLEIADES.
Logo d'IZUBA Energies
ALCYONE est un module de saisie graphique qui permet de dessiner le bâtiment à partir de plan 2D, de lui associer
des masques proches, des compositions, des vitrages, de le découper en zone thermique, de lui associer des
scenarii d’occupation…
PLEIADES est le module de préparation de la saisie grâce à des bibliothèques d’éléments et de compositions
préenregistrées, la possibilité de créer des compositions et des vitrages, de modifier les scenarii. Il permet
également d’effectuer les calculs et de visualiser les résultats. Le logiciel repose sur le moteur de calcul COMFIE
développé par le laboratoire des Mines de Paris, ARMINES.
Pour une présentation du logiciel plus détaillée, on pourra se reporter au site de l’éditeur http://www.izuba.fr
Liens avec la certification NF HQE® Bâtiments tertiaires
L’étude STD permet de répondre aux exigences de la cible 4 du référentiel HQE version 24/02/2014 (Addendum
cible 4).

Sous-cible « 4.1 Réduction de la demande énergétique par la conception architecturale »
Pour les bâtiments non soumis à la RT


-
Niveau Base : expression de la valeur absolue des besoins énergétiques de chauffage et de froid
-
Niveau Performant : justification d’une conception visant à optimiser les besoins énergétiques
du bâtiment en fonction du contexte et de l’activité dans les locaux
Sous-cible « 4.2 Réduction de la consommation d’énergie primaire »
Pour les bâtiments soumis à la RT, justification de la performance énergétique atteinte

(consommation d’énergie primaire Cep)
-
Niveau Performant : gain de 10% par rapport au Cep,max
-
Niveau Très Performant 10 points : gain de 30% par rapport au Cep,max
-
Niveau Très Performant 15 points : gain de 60% par rapport au Cep,max
-
Niveau Très Performant 20 points : niveau équivalent BEPOS Effinergie 2013
Pour les bâtiments non soumis à la RT

Dauchez Payet
-
Niveau Base : évaluation de la consommation d’énergie primaire du bâtiment Cep
-
Niveau Performant : gain de 10% par rapport au Cep,max
-
Niveau Très Performant 10 points : gain de 20% par rapport au Cep,max
-
Niveau Très Performant 15 points : gain de 40% par rapport au Cep,max
-
Niveau Très Performant 20 points : niveau équivalent BEPOS Effinergie 2013.
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Ces gains peuvent être exprimés à l’aide du calcul réglementaire ou à l’aide d’une simulation thermique dynamique.
Nota : Une STD doit être réalisée systématiquement pour les bâtiments non soumis à la RT (les entrepôts
chauffés à moins de 12°C par exemple) afin de justifier la sous-cible HQE 4.2.
Etapes de l’étude
La réalisation de l’étude STD se décompose en plusieurs étapes, résumées ci-dessous :
Saisie du
bâtiment
Définition
des zones
thermiques
Simulation
du cas de
base
Simulation
des
variantes
Analyse des
résultats
Saisie du bâtiment
La première étape consiste en la saisie du bâtiment dans le logiciel. Cette saisie s’effectue à partir des données
d’entrée recueillies. Si les données d’entrée ne sont pas toutes disponibles, l’ingénieur en charge de l’étude
proposera des hypothèses qu’il justifiera.
La saisie du bâtiment est elle-même décomposée en plusieurs étapes :

Saisie des compositions de parois. Les différentes compositions de parois d’un projet sont créées et
sauvegarder dans la bibliothèque du logiciel.

Saisie des vitrages et lanterneaux

Saisie des ponts thermiques

Saisie des scénarii de fonctionnement du bâtiment (occupation, ventilation, chauffage, rafraîchissement,
puissance dissipée…)

Choix du site et des données météorologiques

Saisie géométrique du bâtiment et affectation des compositions de parois, vitrages, ponts thermiques.
Cette saisie permet d’obtenir un modèle 3D du bâtiment.
Définition des zones thermiques
A partir de la saisie du bâtiment, le logiciel simule le comportement thermique du bâtiment en fonction d’un
découpage choisi par l’ingénieur qui réalise l’étude. Le principal découpage s’effectue au niveau de zones
thermiques, généralement une zone thermique étant associée à une pièce ou à un regroupement de pièces de
même typologie.
Les scenarii d’occupation sont affectés par zone thermique (scenarii d’occupation, de ventilation, de chauffage, de
rafraîchissement, de puissance dissipée…). Ces scenarii permettent de différencier le fonctionnement de chaque
zone thermique. Les scenarii de ventilation sont par exemple différents pour les zones bureaux et les zones
sanitaires.
Simulation du cas de base et des variantes
Une fois les éléments des étapes précédentes vérifiés, la simulation peut être lancée. La première simulation
effectuée, appelée cas de base, correspond toujours au bâtiment dans son état initial. C’est la simulation de
référence pour le projet.
Dauchez Payet
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En fonction des objectifs de l’étude STD, des variantes sont ensuite simulées. Ces variantes peuvent intervenir sur
les épaisseurs d’isolants, les caractéristiques des vitrages, la présence et la taille des brises soleil, le pourcentage de
clair de vitrage par orientation… Une simulation est effectuée pour chaque valeur du paramètre étudié.
Les calculs permettent d’obtenir des résultats concernant le comportement global du bâtiment mais aussi pour
chaque zone thermique, ce qui permet d’évaluer les conditions de conforts en tout point du bâtiment.
Histogramme
Evolution des températures
Analyse des résultats
Le comportement thermique de l’objet simulé peut être défini grâce à de nombreux paramètres qui constituent le
résultat du calcul :

Besoin de chauffage (kWh/m².an)

Besoin de climatisation (kWh/m²/an)

Indices de confort
-
Surchauffe maximale
-
Taux d’inconfort
-
Amplification de la température extérieure

Diagramme de Sankey (modélisation graphique des besoins et déperditions)

Evolution des températures suivant plusieurs échelles de temps

Apports solaires

Histogramme des températures atteintes en fonction du temps…
Des comparaisons sont effectuées entre le cas de base et les différentes variantes pour les besoins de chauffage et
de climatisation, les indices de confort, les apports solaires, l’évolution des températures. Ces comparaisons sont
généralement réalisées sur l’année entière, puis sur la semaine la plus chaude et la semaine la plus froide de
l’année. L’analyse est effectuée en recoupant les comparaisons de ces différents résultats, afin de déterminer la
solution optimale pour le projet.
Livrables
Un rapport de synthèse est produit par l’ingénieur en charge de l’étude. Il comporte les éléments suivants :

La présentation du projet

La présentation des objectifs de l’étude STD

Les données de saisie du bâtiment (données de situation, données météorologiques, catalogue des parois,
catalogue des menuiseries, catalogue des ponts thermiques, hypothèses d’occupation)

Les hypothèses et les explications sur les données d’entrée saisies
Dauchez Payet
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
L’analyse du concept architectural selon les principes de l’architecture bioclimatique

Le diagnostic avec le calcul correspondant au dispositif constructif initial (expressions des besoins de chaud
et froid du bâtiment, évaluation des conditions de confort des espaces)

La présentation et l’analyse comparative des différentes variantes simulées

Les préconisations en réponse aux objectifs de l’étude.
Limites de l’étude
L’étude, bien que précise, possède néanmoins certaines limites :

Limitation à 40 zones thermiques pour un projet

La température donnée est calculée au centre d’une zone thermique

L’utilisation du bâtiment est théorique et ne reflète que partiellement la réalité

Les effets du vent et de la nébulosité du ciel ne sont pas pris en compte

Une modélisation simplifiée des équipements techniques

Impossibilité d’obtenir les températures de contact ou de rayonnement

Epaisseur minimale des matériaux de 0,1 cm

Expression des besoins énergétiques, et non des consommations
C’est pour cela que les résultats ne peuvent pas être considérés comme des prévisions exactes des futures
consommations du bâtiment et que les comparaisons par variantes sont plus pertinentes que les données en
valeur absolue.
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