DÉTAILS DU PROJET

• Client : NORVENTO
• Date : 2023
• Technologie : Analyse HVAC. Simulation CFD et optimisation des systèmes de convection naturelle, de convection forcée et de chauffage par le sol.

INTRODUCTION

Ce projet réalisé par l’ICEMM vise à effectuer 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 se déroule 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 relation avec les cas réels étudiés.

Les simulations de ventilation et de climatisation sont effectuées en modélisant les murs avec les enceintes conçues pour le bâtiment. Les infiltrations d’air sont également 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’avoir une véritable comparaison entre les systèmes. Les alternatives comparées dans les simulations CVC sont les suivantes :

• Système de chauffage par ventilateur
• Système de buses
• Système de chauffage par le sol
• Système de plafond rayonnant
• Système de mur rayonnant

L’étude a été réalisée avec le logiciel ScStream de MSC Cradle.

DÉFINITION DU MODÈLE CFD ET PRÉ-DIMENSIONNEMENT

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 réalisée en tenant compte des exigences et des restrictions du client et en prenant les données de l’équipement auprès de fournisseurs spécialisés.

On obtient ainsi une estimation du nombre de ventilateurs chauffants et de buses à installer dans chaque proposition, et de la puissance que les éléments radiants doivent pouvoir fournir pour atteindre la température cible.

Parallèlement au prédimensionnement, un modèle CAO est créé, contenant la géométrie principale du bâtiment, en considérant les éléments externes et internes qui sont d’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.

SIMULATION CFD DES SYSTÈMES HVAC

Dans la première étape de la simulation, nous partons de la préconception et calculons les cinq systèmes CVC proposés. 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 (pertes de chaleur vers le sol, par exemple) et radiation, qui sont particulièrement importants dans certains des systèmes proposés. Elles résolvent également les champs de vitesse des fluides, de sorte que le confort thermique puisse être évalué de manière exhaustive 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 capturer les phénomènes d’intérêt.

Dans 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 tranche verticale de l’un des systèmes analysés.

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.

OPTIMISATION DU SYSTÈME

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.

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.

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, la performance du système peut être mieux évaluée 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 dans une coupe verticale et PMV dans une vue en plan obtenues avec ce système.

ÉTUDE DU CONFORT THERMIQUE – MODÈLES 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 en fonction 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.

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.