article CIFQ
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1. volutions temporelles des densit s de flux int rieur et ext rieur Outre la connaissance des d perditions et des gains il est possible de d terminer et de 3 Copyright 2003 CIFQ comparer le temps de r ponse de divers types de paroi Ces volutions permettent de visualiser le d phasage et l amortissement de la paroi dans le cas d une sollicitation p riodique Conception L tude est r alis e sur une paroi correspondant un mur un plancher un plafond ou tout autre surface de s paration d un b timent Elle est compos e d un ensemble de couches associ une liste de param tres caract risant les changes thermiques en surface Le nombre de couches est modifiable mais la limite est de 7 Mat riaux X Fen tre Edition Aide rn K kg m3 Jkg K 10 6 m7 s 10 6 U 5 B ton lourd 2 2450 1000 0 82 2214 B ton de granulats l gers 1100 1000 0 32 620 B ton d argile expans i 550 1000 0 36 332 B ton cellulaire 400 1000 0 36 241 Pis 1800 1000 0 61 1407 Enduit de mortier 1900 1000 0 68 1572 Asphalte 2200 1000 0 32 1241 M tal ferreux 7870 450 20 33 15968 Pl tre 1050 1000 0 41 672 Plaque de pl tre parement de carton 825 1000 0 30 454 Caoutchouc 1200 1400 0 10 534 Plastique 1700 1400 0 11 771 Carrelage 2300 1000 0 74 1977 Bois r sineux 500 1600 0 19 346 Panneau fibragglo 400 1700 0 18 286 Laine de verre 15 1030 2 65 25 Laine de roche 80 1030 0 47 57 Polystyr ne expans 25 14502. CoDyBa V6 new version of software for building dynamical behaviour simulation PLEA 2000 Cambridge UK p746 751 2000 6 Copyright 2003 CIFQ
3. 1 02 37 Lame d air non ventil e 1 1000 31 00 6 Annuler Figure 5 Liste des mat riaux de construction disponibles Couches X Fen tre Edition Aide Couche Mat riau Epaisseur R sistance mm mZ KAN 1 200 0 1 B ton lourd 2 Laine de verre 90 1 22 3 Pl tre 10 0 0233 G Annuler Figure 6 Exemple de constitution d une paroi Par hypoth se les transferts de chaleur se font de fa on unidimensionnelle La m thode de calcul utilis e pour la simulation du transfert de chaleur par conduction au sein de la paroi est une m thode par l ments finis en espace Le nombre de points de calcul est fix 5 par couche L int gration en temps se fait selon un sch ma implicite pur Le pas en temps est de 1 heure Les conditions initiales sont soit la temp rature solution du probl me stationnaire l instant initial soit la temp rature du pr c dent calcul Les conditions aux limites sont d finies par les ambiances int rieures et les ambiances ext rieures qui correspondent bien videmment aux conditions climatiques Une ambiance poss de deux variables la temp rature d air et le flux radiatif incident La p riode correspond la plage de temps sur laquelle la fonction de la variable est d finie La p riode peut tre une semaine ou un jour figure 10 E e joo mi a e o Irne F F es Fu ets onbasnes hirre Aiha des pah dates biian Taea sira 220 T ar E L 2
4. la r alisation de mod les r duits 2D pour le logiciel CLIM2000 Ce d veloppement a permis d acqu rir une premi re exp rience et de pouvoir bien d finir le cahier des charges des outils suivants Un second outil XCube a t d velopp par Jean NOEL pour le CETHIL Il a permit de valider les concepts de saisie rapide d une g om trie 3D Les g om tries manipul es sont construites sur une grille par un embo tement de cubes Cette m thode est simple et permet un utilisateur entra n de r aliser une saisie et un calcul d un pont thermique classique en moins de 5 minutes En sortie on obtient la matrice des flux en fonction des temp ratures de part et d autre de la g om trie une valeur pour une simple paroi plusieurs si le pont thermique est en T etc Le logiciel XCube est une premi re version du logiciel plus complet ArchiCube permettant la manipulation automatique de ponts thermique en vue de leur introduction dans des outils de simulation globaux de type CODYBA pour la simulation de b timents complexes Conception de l outil Le logiciel ArchiCube s articule en trois modules Le premier est un modeleur qui permet de cr er rapidement des g om tries 3D et de leur associer des conditions aux limites Le deuxi me est un module de calcul qui effectue un calcul par volumes finis en stationnaire en moins de 30 secondes pour des g om tries 3D maill es en 10000 cellules en quelques dixi mes de second
5. se fait habituellement en une seconde Le noyau de calcul de KaLiBat est celui du logiciel ArchiCube Le fonctionnement de KaliBat est analogue celui d une calculette KaLiBat se compose d une interface graphique permettant une visualisation imm diate de la g om trie avec les donn es qui la caract rise CAE Qi x D rr es F ET Four cdu port Heering nhri P srare RE AN aaae vaide agea Mines Ch finition du poni Heminun Paru F aana 2 P Fatis 4 Plans C DELA a CS NE r F i i lsolstion rt neuns AUX putie E rm Sur patie D RL FE Hkolslon miia T Sur patie C Emaan l mm Dur putik EE r Loslh ends E des paket et Loellerd k du pont Fagus lPaies are Wie bini DS Lim il KPa Cou Wt akada E du poni Ihenga Fioquios E ous E E FatsB a Ir 5 B ton lourd B ton lourd Ame E F foana A mm Pinus C TET fer f E i o 20 78 Fate di Figure 4 Ecran d entr e des donn es de KaLiBat CODYMUR Objectfs Dans la Nouvelle R glementation Thermique l aspect dynamique des transferts thermiques dans les b timents tient une place importante En particulier pour la thermique d t o la nouvelle r glementation impose des valeurs limites de temp rature atteinte dans les locaux sans climatisation Con u pour r pondre ces nouveaux besoins CoDyMur est un logiciel qui permet d appr hender le comportement thermique d un mur soumis des sollicitations vari es I
6. Article CIFQ2003 Vle Colloque Interuniversitaire Franco Qu b cois Thermique des syst mes 26 28 mai 2003 Qu bec CIFQ2003 XX XX ARCHICUBE ET CODYMUR LOGICIELS DE SIMULATION DES PONTS THERMIQUES ET DU COMPORTEMENT THERMIQUE D UNE PAROI EN REGIME VARIABLE Joseph VIRGONE Centre de Thermique de Lyon Equipe TB virgone etb insa lyon fr R SUM Jean NOEL Ing nieur Free Lance insoft infonie fr ARCHICUBE a pour objet le calcul de coefficients lin iques de ponts thermiques 3D du b timent Le calcul se fait rapidement sur un maillage d fini automatiquement CODYMUR permet l tude en r gime variable du comportement thermique d une paroi Les sorties sont traduites en terme d nergie consomm es ainsi qu en puissance instantan e pour faciliter les comparaisons entres diff rentes solutions Une pr sentation de ces deux logiciels est propos e dans cette communication ainsi que quelques exemples de simulation pour illustrer les nombreuses possibilit s d utilisation Mots cl s logiciels simulation ponts thermiques paroi r gime variable INTRODUCTION Dans la Nouvelle R glementation Thermique fran aise 1 RT 2000 le calcul des d perditions par les ponts thermiques ainsi que l aspect dynamique des transferts thermiques dans le b timent tiennent une place importante Il est donc int ressant de disposer d outils num riques permettant de calculer tr s rapidement les coefficients lin iques ou conna tr
7. e La thermique du b timent n chappe pas l engouement vers les outils conviviaux qui ne requi rent pratiquement plus de manuel d utilisation Les deux outils qui sont pr sent s pour le calcul des coefficients de d perditions lin iques et les transferts de chaleur en r gime variable seront tr s utiles dans ce contexte En p dagogie particuli rement l enseignant peut mieux faire comprendre les ph nom nes au travers d exemples trait s et les tudiants peuvent manipuler eux m mes leur rythme afin d analyser l influence des param tres introduits L tape ult rieure de l apprentissage de la thermique du b timent est de faire l tude l aide d un outil permettant d tudier un b timent complet avec ses vitrages sa ventilation ses occupants les changes entres zones thermiques un outil multizone simplifi comme CODYBA 2 3 peut alors tre utilis Une version de d monstration est galement disponible sur le m me site web que les deux autres logiciels pr sent s dans cette communication REFERENCES 1 Arr t du 29 novembre 2000 relatif aux caract ristiques thermiques des b timents nouveaux et des parties nouvelles de b timents 2 NOEL J ROUX J J KEILHOLZ W BRADLEY D Lien entre les logiciels SimCAD TRNSYS et CODYBA V Colloque InterUniversitaire Franco Qu b cois Thermique des Syst mes Lyon France p311 318 2001 3 DUTA A NOEL J ROUX J J
8. e l influence de la combinaison des couches d une paroi alors que la r sistance thermique globale de la paroi reste identique Les objectifs sont toujours de r duire les d perditions et am liorer le confort des occupants donc trouver des syst mes de liaisons r duisant les ponts thermiques ou des arrangements de couches permettant d obtenir une meilleure restitution de l nergie gratuite l int rieur du b timent au moment de son occupation ou bien un meilleur confort en p riode estivale Un autre int r t de disposer de tels outils est p dagogique L enseignant peut facilement illustrer certains ph nom nes thermiques en montrant des champs de temp ratures ou des volutions temporelles L tudiant peut sur des exercices d application faire varier certaines conditions ou certains param tres afin d analyser l influence de ceux ci ARCHICUBE a pour objet le calcul de coefficients lin iques de ponts thermiques 3D du b timent La g om trie est compos e par assemblage de parall l pip des le calcul se fait ensuite rapidement sur un maillage d fini automatiquement CODYMUR permet l tude en r gime variable du comportement thermique d une paroi Les sorties sont traduites en terme d nergie consomm es ainsi qu en puissance instantan e pour faciliter les comparaisons entres diff rentes solutions D autre part sont int gr es des fonctionnalit s li es l ensoleillement afin de consid rer les v
9. ensit de flus int rieur r Densit de flus ext rieur Wre Figure 12 cran annexe donnant les flux au cours du temps Le calcul peut s effectuer de fa on continue ou bien pas pas Pour chaque heure sont affich es sur un graphique la r partition de temp rature dans la paroi et les courbes donnant les maxima et minima atteints au cours des derni res 24 heures 5 Copyright 2003 CIFQ A c t de cet affichage figurent les temp ratures d air les flux radiatifs incidents et les temp ratures de surface ainsi que le cumul des flux aux surfaces c est dire l nergie Par ce dernier affichage 1l est possible de quantifier les quantit s de chaleur absorb es pendant la journ e et restitu es pendant la nuit Les menus sp cifiques de l cran de la figure 11 sont 1 Fichier gestion des lectures et sauvegardes des fichiers d tude 2 Affichage affichage ou non de la barre d outils et de la barre d tat 3 Donn es menus d appel des diff rents crans de saisie des donn es d une tude 4 Impression fait appara tre les menus de gestion des impressions Une version de d monstration de CODYMUR est disponible par t l chargement sur le site http insoft chez tiscali fr Exemples d applications Parmi les principaux th mes que ce module permet d tudier un cahier d exercices propose pour l instant 5 applications e EXERCICE n 1 Influence des caract ristiq
10. es pour des ponts thermiques 2D courants Le troisi me est un module de visualisation qui permet d analyser les r sultats obtenus Les crans suivants pr sentent des affichages type L objet affich l cran peut subir une rotation temps r el pilot par un d placement de la souris Les maillages sont d finis automatiquement sans intervention de l utilisateur Dans le noyau de calcul le mailleur est enti rement automatique pas d intervention de l utilisateur et permet de limiter le nombres de degr s de libert en pla ant les points de calcul uniquement dans les zones de forts gradients La discr tisation spatiale est de type volumes finis A noter sur l exemple de la figure 1 le maillage dense uniquement par endroit A terme le modeleur pourrait tre tendu au traitement de g om tries non r guli res Exemples de cas pouvant tre trait s Figure 1 Exemple de maillage en g om trie 3D trait sur une configuration classique du b timent Figure 2 M me exemple que la figure 1 avec repr sentation des parall logrammes de la g om trie et des isothermes 2 Copyright 2003 CIFQ Figure 3 autres exemples de cas trait s par ArchiCube KaLiBat Une version 2D de ArchiCube appel e KaLiBat est disponible gratuitement par t l chargement sur le site http insoft chez tiscali fr Dans des g om tries 2D en L ou en T 1l permet d obtenir rapidement la valeur du coefficient w le calcul
11. hier ou donn e sp cifiques E Cas d un fichier a 1 jour P riode Cas de donn es sp cifiques Profil de la temp rature Type Yaleur E C Profil du flus radatit incident Type Calcu 144 P riode Semaine Latitude CE E CS Albedo du sol Po 1 jour Moooi Figure 10 Caract risation d une ambiance par exemple ici temp rature nulle avec flux solaire La forme de la variable correspond au profil de son graphe repr sentatif Il peut s agir d une fonction constante nulle constante rampe cr neau Un flux peut tre galement solaire Les valeurs des variables d ambiances peuvent galement provenir des fichiers m t o du logiciel CoDyBa 2 3 Il existe deux modes de travail mode saisie ou mode calcul Les boutons qui apparaissent en bas et droite de l cran servent piloter le calcul L cran de l application pr sente l aspect de la figure 11 pendant la phase de calcul tandis que dans la fen tre annexe de la figure 12 d filent les valeurs du flux au cours du temps Les donn es de base sont modifiables par l utilisateur e mat riaux e composition du mur e conditions climatiques et ambiances e param tres de surface coefficient d change et coefficient d absorption e m t o fournis Les conditions climatiques et les conditions int rieures sont constitu es par combinaison d un flux radiatif et d une temp rature ambiante conditions
12. int rieures les fichiers m t o de 10 villes de France sont CoDyMur d termine au cours du temps la temp rature en chaque point du mur ainsi que les flux de surface Ces r sultats d filent l cran en cours de calcul Une gestion des impressions permet d obtenir rapidement un rapport complet sur les volutions temporelles des temp ratures et des flux Les r sultats sont stock s automatiquement dans un fichier utilisable avec un tableur de type EXCEL ceci permet de configurer volont la mise en forme des r sultats Projet CoDyMur Iof x Fichier Affichage Donn es Impression LH g amp Ext rieur 1r Paroi Rep rage Face ext rieure Int rieur Coeff d absorption 4 Azimut s ad Coeff d absorption i 4 R sistance TE r KZA Inclinaison f TEF R sistance 1 m KZ mbiance Ext rieure Affichage des couches Ambiance Int rieure Temp rature sinusoidale 25 35 C Y Temp rature initiale automatique Temp rature sinusoidale 20 30 C Flux 0 Wie 33 Flux 0 w n Temp rature T ECE Temp rature 21 j F surface 65 Wr TO F surface 3 W n Energie 391 MJ r Energie 185 MJ r Jour EJ Heure 0 Calcul 20 4 260 bscisse mm F1 pour l aide h Figure 11 cran d application CodyMur en phase de calcul Densit s de flux de surface au cours du temps EX ANNAN ni 168 Temps h D
13. l s adresse aux bureaux d tudes et aux organismes d enseignement et de recherche Il permet par son interactivit une bonne compr hension des ph nom nes de transferts de chaleur travers une paroi en r gime variable CoDyMur est un logiciel qui peut tre utilis pour l enseignement de la thermique du b timent partir du niveau de la terminale L exploitation de ce logiciel se situe deux niveaux e Pour l enseignant le logiciel constitue un moyen d laboration de sujets de travaux dirig s sur micro ordinateur adapt s au degr de connaissances de ses tudiants Il peut permettre aussi d illustrer rapidement l aide d un exemple concret un point particulier d un cours e Pour l tudiant il doit tre consid r comme un outil de simulation qui sera utilis suivant les directives du texte propos par l enseignant Si ses connaissances de base sont suffisantes l tudiant pourra l utiliser seul pour am liorer sa compr hension de ph nom nes physiques dont l interpr tation est complexe CoDyMur r alise le calcul des temp ratures au sein de la paroi ainsi que des flux aux surfaces et cela en fonction du temps Les r sultats permettent d analyser l influence de certains param tres comme la constitution de la paroi paisseurs mat riaux utilis s pour les couches ou les positions respectives de celles ci les ambiances thermiques de part et d autre de la paroi En sortie figurent les
14. olutions r elles sur une fa ade orient e des apports r els Il est galement possible de simuler la paroi avec des donn es climatiques repr sentatives de conditions estivales et hivernales pour diff rents sites fran ais Une pr sentation plus compl te est propos e dans cette communication ainsi que quelques exemples de simulation pour illustrer les nombreuses possibilit s d utilisation ARCHICUBE Objectifs Le traitement des ponts thermiques est une pr occupation importante des l gislateurs fran ais et des valeurs de plus en plus draconiennes de transmissions lin iques w vont tre impos es aux concepteurs de b timents dans les textes r glementaires en projet Aussi l existence d un outil de simulation permettant de quantifier les d perditions par les ponts thermiques et pouvant tre utilisable par les bureaux d tudes comme par les enseignants ou les tudiants concern s par ces probl mes est primordiale l Copyright 2003 CIFQ Les outils actuels ne permettent pas toujours un calcul simple et automatique des coefficients lin iques Pour r pondre de fa on g n rale cette demande et en m me temps pour mettre au point les outils qui lui permettent de mener bien ses travaux de recherche le CETHIL a dans les deux derni res ann es mis au point un certain nombre de prototypes de calculs thermiques dans des g om tries classiques du b timent Un premier outil a t d velopp en 98 pour EDF pour
15. t n 0 d l m vw u j r Misia Cui d e Caul Fi pou lade CUIR Mrama 2 6 3 2 6 EF ram on Copie fan ihop AREAS Figure 7 cran d accueil de CoDyMur Ambiances Int rieures X Fen tre Edition Aide P riode T min T max P riode F min F max C C Wim Wm Temp rature constante 26 C Jour 26 26 Jour 0 0 Temp rature constante 20 C Temp rature sinuso dale 20 30 C sans flux Temp rature sinuso dale 5 15 C sans flux Saut de temp rature de 0 20 C sans flux Semaine 0 Temp rature nulle avec saut de flux Jour 0 Temp rature de 20 C avec saut de flux Jour 20 Em Cr neau de temp rature 15 20 C sans flux Figure 8 Liste des ambiances int rieures Ambiances Ext rieures X Fen tre Edition Aide om done Wime Wim Temp rature constante de 30 C sans flux Jour 30 30 Jour 0 0 Temp rature constante de 0 C sans flux Jour o o Jur 0 0 Temp rature sinusoidale 25 35 C sans flux Jour 25 35 Jor 0 0 Temp rature nulle avec cr neau de flux Temp rature nulle avec flux solaire M t o de la ville de M con 500 50 o o0 o E 1 ET _500 pI 50 LI Jour Figure 9 Liste des ambiances ext rieures 4 Copyright 2003 CIFQ LI Ambiance x Mom Temp rature nulle avec Hus solaire S lection de cas fic
16. ues thermophysiques des mat riaux constituant une paroi homog ne e EXERCICE n 2 tude des ph nom nes d d amortissement et de d calage dans le cas d une sollicitation sinuso dale e EXERCICE n 3 tude des d amortissement et de d calage avec flux solaire e EXERCICE n 4 tude comparative de parois de m me conductance e EXERCICE n 5 Influence de la position de l isolant relativement aux sollicitations int rieures et ext rieures Pour chacun des exercices un rappel des param tres caract ristiques comme le d calage et l amortissement est donn Ensuite le travail dirig est d taill pour aider l tudiant dans la cr ation de ses projets d application d finition de la constitution des parois tudier des ambiances int rieures et ext rieures constituer Enfin une s rie de questions est pos e dans lesquelles 1l est n cessaire d analyser les r sultats du logiciel et calculer certaines grandeurs permettant de r aliser des comparaisons Un grand nombre d autres applications peut venir compl ter ces quelques exercices comme par exemple l analyse de l influence de l orientation d une paroi par rapport au sud ou l influence de l inclinaison On peut tudier aussi le cas du comportement d une paroi soumise un climat r el avec chauffage continu ou intermittent ph nom nes CONCLUSION L utilisation des moyens informatiques dans le monde actuel se g n ralis
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