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Modélisation du comportement thermique dynamique des bâtiments: un outil adapté à l’échelle patrimoniale et à la problématique de rénovation.

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... L'outil numérique de simulation thermique dynamique proposé dans le présent travail représente une adaptation du code de simulation CHAMAN, développé par le centre de ressources technologiques Nobatek sur les principes des travaux de Bouyer. Ce code numérique a été précédemment utilisé et validé par Hénon (Hénon et al., 2012) dans le contexte de la rénovation énergétique de bâtiments existants et par Rouault (Rouault et al., 2014) dans l'étude du comportement thermique d'un système de stockage thermique à base de matériaux à changement de phase. Processus de conception énergétique de bâtiments durables Ernesto Efrén Velázquez Romo Dans ce modèle, la représentation analogique d'une paroi opaque est donc donnée à partir de trois paramètres, qui dépendent uniquement de la nature des matériaux de construction : ...
... Construit sur l'environnement de développement MATLAB, de l'éditeur Mathworks, ce code permettait à la base de calculer les besoins thermiques d'une configuration de bâtiment à partir d'une modélisation par l'analogie électrique-thermique, dont le principe a été présenté dans la section 2.3.3 de ce travail. Initialement conçu comme un outil d'aide à la décision pour la rénovation énergétique patrimoniale (Hénon et al., 2012), le code CHAMAN a été adapté dans ce travail pour traiter la conception de bâtiments neufs. Ceci a été fait notamment par la prise en compte de variables de conception additionnelles, telles que l'orientation du bâtiment et les taux de vitrage des façades. ...
Thesis
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L'objectif de ce travail de thèse est de développer une méthodologie d'aide à la prise de décisions pour la conception énergétique de bâtiments durables. La méthodologie proposée est composée de : (1) une base de seize indicateurs caractérisant la performance énergétique du bâtiment, couvrant les trois dimensions du concept de la durabilité (aspects environnementaux, économiques et de confort des occupants) et suivant une approche de type cycle de vie ; (2) une méthode d'évaluation de ces indicateurs adaptée au niveau de précision de la connaissance du bâtiment dans les premières phases de projet ; (3) une logique de progression des décisions de conception donnée comme un modèle de répartition séquentielle des choix à effectuer à chaque phase de projet ; et (4) une base de connaissances d'éléments du bâtiment comprenant les données techniques, environnementales et économiques nécessaires pour la méthode d'évaluation. Cette méthodologie est destinée à être utilisée par la maîtrise d'œuvre d'un projet de construction, y compris architectes et bureaux d'études concernés par la performance énergétique, pour la conception de bâtiments de bureaux dans un contexte français. Un outil numérique d'évaluation a été mis en place comme une première application de la méthodologie proposée afin d'étudier ce qu'elle peut apporter au concepteur comme éléments d'aide à la prise de décisions. L'intérêt de la mise en œuvre de la méthodologie a été validé par divers cas d'étude à chaque stade du processus de conception : de la phase d'Esquisse à la phase d'Avant-Projet Détaillé. En particulier, l'intégration d'une façade double peau vitrée, dont l'impact sur la performance du bâtiment est encore peu maîtrisé, a été évaluée.
... This capacity factor is the average thermal generating capacity divided by the maximal thermal generating capacity. It can be estimated (as in this study around 0.33 for space heating in south France [22]) or calculated previously with a dynamic thermal simulation at the district scale [23]. ...
... The chosen objective function in this study is the global cost over 30 years because it is the core issue in urban planning, as underlined by the French organisation CEREMA [30] or [31]. Equation (23) is the sum of the operating cost (pumping and heating cost) and the investment cost (thermal generating capacity installed, heat exchanger and line). ...
Article
The aim of this work is to propose a tool for the design assistance of District Heating Network (DHN). Two goals of DHN optimization are handled simultaneously: the optimization of the configuration and its design. The optimization objective is to minimize the global cost of the DHN over 30 years. It includes both operating costs (heating and pumping cost, including thermal losses and pressure drop) and investment costs (line, trench, heating plant, heat exchanger). The formulation leads to a mixed integer non-linear programming (MINLP) problem in steady state. The model is solved with DICOPT within GAMS (around 5s for this study cases). One of the outputs of these academic study cases is the layout of the DHN, supplied in parallel or in cascade: a consumer with hot temperature requirement can supply another consumer with lower temperature requirement. Even a looped network in cascade is optimal (−4.6% total cost reduction) when the cost of the trench is lower than 500 €/m. Furthermore, different structures are optimal (between −4 and −8% of total cost reduction) depending on whether the heat production(s) are decentralized, centralized, isolated collective, renewable or not. Finally the balance between heat loss and pressure drop is detailed.
... La modélisation de l'information du bâtiment est un outil de soutien à la visualisation et à la gestion de sa performance [1][2][3][4]. A cet effet certain nombre d'outils ont été développées non seulement afin de simuler et de prévoir le comportement thermique, optique des bâtiments [5][6][7][8][9][10][11] mais aussi et surtout dans le but d'obtenir une estimation de sa consommation énergétique durant une période donnée [12]. Chacun des outils conçus par les modélisateurs a sa spécifité et se différencie ainsi des autres par quelques points essentiels [13]. ...
Article
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Cet article porte sur la mise en place d'un outil de modélisation et de simulation énergétique du bâtiment, nommé ATOMO, afin de prédire son comportement dynamique ainsi que sa consommation d'énergie de manière plus simple et plus rapide. Dans le présent travail, le coeur de l'outil est la modélisation dynamique du bâtiment et se base essentiellement sur l'utilisation des métamodèles. En effet, l'analyse des effets des facteurs peut être utilisé afin d'obtenir un métamodèle associé à un modèle mathématique complexe. En revanche, la modélisation statique des données architecturales du bâtiment est obtenue via des logiciels de conception assistée par ordinateur (CAO) et par la suite interprété par l'outil ATOMO. L'outil de simulation dont nous avons mis en place a été appliqué pour un bâtiment monozone et suivi d'une confrontation avec des logiciels comme KoZibu. Mots-clés : ATOMO, métamodèle, outils de simulation, modélisation dynamique. Abstract Proposal for a building Energy Modeling and Simulation Tool This article focuses on the implementation of a building energy modeling and simulation tool, called ATOMO, to predict its dynamic behavior and energy consumption in a simpler and faster way. In the present work, the core of the tool is the dynamic modeling of the building and is essentially based on the use of metamodels. Indeed, the analysis of the effects of factors can be used to obtain a metamodel associated with a complex mathematical model. On the other hand, the static modeling of architectural data of the building is obtained via computer-assisted design (CAD) software and subsequently interpreted by the ATOMO tool. The simulation tool we put in place was applied for a monozone building and followed by a confrontation with software like KoZibu.
... Pour simuler le comportement thermique d'un bâtiment couplé avec le système de rafraîchissement, il y a deux stratégies possibles : (1) utiliser un code maison développé sur le même logiciel que le programme de simulation du système MCP comme le code Shaman développé sur MATLAB par Nobatek (Hénon et al., 2012) pour la simulation thermique de patrimoine ou (2) ouvrir une boîte de dialogue entre l'outil de simulation de l'échangeurstockeur et un logiciel de STD commercial. ...
Article
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Air-cooling systems using latent heat thermal energy storage (LHTES) are potential alternatives to air-conditioners for summer climate control in buildings. However, the performances of such systems are tightly linked to weather conditions and the configuration of the building to be cooled. The aim of this doctoral work is to develop a design support tool allowing optimally dimensioning an air-cooling system using phase change material at the preliminary design stage. A dynamic thermal model, simulating the behaviour an LHTES device exchanging with air, is developed and coupled with a building performance program. The LHTES and the co-simulation models are validated by comparison with experiments carried out on two prototypes of LHTES device and the experimental platform of zero energy building NAPEVOMO. Finally, a first design support tool using genetic algorithm is developed to define the optimal configuration of an air-cooling system for the summer comfort in « NAPEVOMO » house.
... Pour simuler le comportement thermique d'un bâtiment couplé avec le système de rafraîchissement, il y a deux stratégies possibles : (1) utiliser un code maison développé sur le même logiciel que le programme de simulation du système MCP comme le code Shaman développé sur MATLAB par Nobatek (Hénon et al., 2012) pour la simulation thermique de patrimoine ou (2) ouvrir une boîte de dialogue entre l'outil de simulation de l'échangeurstockeur et un logiciel de STD commercial. ...
Thesis
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Les systèmes de rafraîchissement d'air basés sur des échangeur-stockeurs composés de Matériaux à Changement de Phase (MCP) sont une alternative possible aux systèmes de climatisation pour le confort d'été dans les bâtiments. Toutefois, les performances de tels systèmes de rafraîchissement sont étroitement liées aux conditions climatiques et aux configurations des bâtiments à rafraîchir. L'objectif de ce travail de thèse est de développer un outil d'aide à la conception permettant un pré-dimensionnement optimal de systèmes de rafraîchissement d'air utilisant des MCP dès le stade de la conception préliminaire. Un modèle thermique dynamique simulant le comportement d'un échangeur-stockeur air/MCP est donc développé puis couplé à une plateforme logicielle de simulation thermique dynamique du bâtiment. Les modèles d'échangeur-stockeurs et de co-simulation sont validés à l'aide d'expériences menées sur deux prototypes d'échangeur-stockeur et la plateforme expérimentale de maison à énergie positive NAPEVOMO. Enfin un premier outil d'aide à la conception utilisant un algorithme d'optimisation est développé pour définir une configuration optimale de système maintenant le confort estival dans la maison NAPEVOMO.
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