Projet : Simulation CFD d’un système HVAC

Introduction : Analyse CVC

Ce projet de l’ICEMM vise à réaliser une analyse comparative de cinq systèmes HVAC différents pour un grand bâtiment industriel. La simulation CFD sera utilisée à cette fin. Dans le bâtiment, il y a des exigences thermiques à la fois pour le confort humain et pour le processus qui est effectué à l’intérieur, qui nécessite certains matériaux dont la température doit être maintenue au-dessus d’une valeur minimale. Pour des raisons de confidentialité, les cartes de résultats fournies seront simplement des exemples sans données quantitatives ni aucune relation avec les cas réels étudiés.

Les simulations de ventilation et de climatisation sont effectuées en modélisant les murs avec les enveloppes conçues pour le bâtiment. De même, les infiltrations d’air sont ajustées dans le modèle pour tenir compte de la charge thermique supplémentaire qui existera dans le bâtiment réel. Ces conditions seront les mêmes dans toutes les analyses thermiques afin d’obtenir une véritable comparaison entre les systèmes. Les alternatives comparées dans les simulations CVC sont les suivantes :

  • Système Aerotherm
  • Système de buse
  • Système de chauffage par le sol
  • Système de plafond radiant
  • Système de murs radiants

Cette étude a été réalisée à l’aide du logiciel ScStream de MSC Cradle.

Prédimensionnement et création du modèle CFD

Dans la première phase, un calcul analytique est effectué sur la base du livret de charge thermique. De cette manière, une taille initiale est attribuée aux systèmes de climatisation. Cette préconception est basée sur les exigences et les restrictions du client et s’appuie sur les données des équipements des fournisseurs spécialisés.

Cela permet d’estimer le nombre de radiateurs à ventilateur et de buses à installer dans chaque proposition, ainsi que la puissance que les éléments radiants doivent être en mesure de fournir pour atteindre la température cible.

Parallèlement au prédimensionnement, un modèle CAO est créé, contenant la géométrie principale du bâtiment, en tenant compte des éléments extérieurs et intérieurs qui présentent un intérêt. Une étude des infiltrations prévues par le modèle CFD est également réalisée afin d’ajuster leur effet sur le modèle à la réalité.

À partir de ce modèle de base, les cinq modèles correspondant à chaque système de climatisation à simuler sont générés. Les images suivantes montrent la géométrie du bâtiment et une vue intérieure avec le système de buses préliminaire modélisé.

Géométrie de base du navire analysée par simulation HVAC

Simulation CFD des systèmes CVC

La première étape de la simulation est basée sur la préconception et les cinq systèmes CVC proposés sont calculés. Ce type d’analyse nous permet d’obtenir des cartes de la température de fonctionnement, de la vitesse de l’air, de la température de surface et du PMV (Predicted Mean Vote), parmi de nombreux autres résultats.

Les simulations CFD prennent en compte les effets du transfert de chaleur par convection, conduction (perte de chaleur vers le sol, par exemple) et rayonnement, qui sont particulièrement importants dans certains des systèmes proposés. Elles résolvent également les champs de vitesse des fluides, de sorte que le confort thermique peut être évalué de manière globale en tenant compte des effets des courants d’air.

Pour simuler correctement les effets thermiques, le maillage et les modèles physiques doivent être adaptés au problème considéré. Dans cette étude, des grilles de 15 à 25 millions d’éléments (cellules) sont utilisées pour bien capturer les phénomènes d’intérêt.

Lors de cette première étape, on constate que certains des systèmes proposés sont loin de donner des résultats satisfaisants. Cela signifie que dans l’étape d’optimisation suivante, seuls les systèmes qui ont donné les résultats les plus favorables sont comparés. L’image suivante montre les résultats de la température de fonctionnement dans une coupe verticale de l’un des systèmes analysés.

Carte de température du hall résultant de la simulation CFD de la climatisation.

Et dans la suivante, vous pouvez voir la carte PMV calculée avec les valeurs d’isolation thermique par les vêtements et l’activité physique attendue pour les travailleurs dans le bâtiment. Ces valeurs sont données dans une coupe horizontale à la hauteur de travail habituelle.

Carte PMV du hall à la suite de la simulation CFD de la climatisation.

Optimisation des propositions

Dans les analyses initiales, il est observé que les systèmes convectifs peuvent avoir un problème d’efficacité causé par la stratification de l’air dans l’enceinte, un phénomène courant dans les immeubles de grande hauteur. Cela signifie que l’air chaud s’accumule dans la partie supérieure du bâtiment et quitte la zone occupée à une température plus basse que prévu.

Pour éviter cette situation, l’ajout de ventilateurs déstratificateurs dans le système de chauffage par ventilateur et l’augmentation de la vitesse de décharge dans le cas des buses sont envisagés. Quelques exemples de déstratificateurs sont présentés dans l’image suivante.

Ventilateurs de déstratification simulés par CFD dans le bâtiment

Les résultats de la simulation CVC montrent que l’utilisation de ventilateurs déstratificateurs n’a un impact significatif sur la température que si l’entraînement est à grande vitesse. Cependant, cela génère des zones de vitesse élevée qui pénalisent le confort thermique. Ces effets sont amplifiés par certains couloirs créés par les éléments fixes du bâtiment, comme le montre l’image suivante.

Carte des vitesses sur le navire lorsque les déstratificateurs sont placés à leur vitesse maximale

Pour les systèmes radiants, il a été décidé d’étudier d’autres conditions extérieures, en simulant un cas moins défavorable de température à l’extérieur du bâtiment. De cette manière, le comportement du système peut être mieux évalué grâce à des informations supplémentaires.

La solution optimisée qui a finalement été choisie donne des résultats très satisfaisants en termes d’efficacité et d’efficience. Dans les images suivantes, vous pouvez voir les cartes de température opérationnelle en coupe verticale et PMV en vue en plan obtenues avec ce système.

Carte de température du hall à la suite de la simulation CVC optimisée de la climatisation.
Carte PMV dans le hall grâce à la simulation CVC optimisée de la climatisation.

Étude détaillée avec un modèle de thermorégulation humaine

La dernière étape de l’étude sur la climatisation consiste à effectuer une série de simulations comprenant un modèle de thermorégulation humaine. Celles-ci sont choisies sur la base des alternatives qui se sont avérées les plus avantageuses en termes de confort thermique et d’efficacité énergétique.

Le modèle utilisé, appelé JOS2, simule le comportement thermique du corps humain et son interaction avec l’environnement. Il prend en compte des facteurs tels que les vêtements, l’âge et le niveau d’activité physique. Il est ainsi possible de prédire le confort thermique de manière détaillée en combinaison avec la simulation CFD. Un schéma du fonctionnement du modèle est présenté dans l’image, tirée du site web du logiciel utilisé pour les analyses.

Schéma du modèle de thermorégulation humaine inclus dans Cradle

Pour l’étude, un certain nombre de mannequins sont placés à différentes positions sur le navire et le modèle est simulé dans son ensemble. Trois exemples de résultats de température de la peau dans différents scénarios sont présentés ci-dessous. Ces données sont un bon indicateur de la sensation thermique perçue et du confort thermique réel des occupants.

Distribution de la température de la peau de personnes simulées avec le modèle JOS2 et la CFD dans l'étude de la climatisation.
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