Analyse expérimentale et simulation de la ventilation naturelle mono-façade pour le rafraîchissement des immeubles de bureaux

par Marcello Caciolo

Thèse de doctorat en Énergétique

Sous la direction de Dominique Marchio.

Soutenue en 2010

à Paris, ENMP .

  • Titre traduit

    Experimental analysis and simulation of single-sided natural ventilation for free cooling in offices


  • Résumé

    L'application de la ventilation naturelle peut contribuer sensiblement à la réduction des besoins de climatisation et à l'amélioration du confort d'été dans les immeubles de bureaux. Dans cette thèse, une configuration simple de ventilation naturelle, c'est-à-dire la ventilation mono-façade, est étudiée expérimentalement et par simulation. Après avoir examiné les phénomènes qui contribuent au renouvellement de l'air, on évalue la validité et l'applicabilité des modèles existants afin de calculer le débit de ventilation, en comparant leurs résultats avec ceux d'une campagne de mesures effectuée dans une pièce expérimentale. Ensuite, on valide l'utilisation de la CFD, avec trois modèles différents de turbulence, pour la simulation de la ventilation naturelle mono-façade, par comparaison avec les essais. Les résultats d'un des modèles de turbulence (RANS RSM) sont utilisés pour l'établissement d'une nouvelle corrélation pour le calcul du débit de ventilation. Celle-ci apporte des améliorations par rapport aux corrélations existantes, en particulier lorsque l'ouverture est située sous le vent. Cette nouvelle corrélation est couplée à un modèle thermique dynamique afin d'évaluer le potentiel de rafraîchissement de la ventilation naturelle mono-façade dans des immeubles de bureaux neufs. En particulier, on étudie la réduction des besoins de climatisation dans des immeubles climatisés et le nombre d'heures d'inconfort en l'absence de climatisation. L'influence de plusieurs paramètres est considérée : climat, orientation, inertie, taux de surface vitrée, apports internes et stratégie de ventilation (diurne, nocturne et diurne + nocturne). Les simulations montrent des réductions importantes des besoins de refroidissement, entre 30 et 90%. Il est possible de se passer de climatisation, sans générer d'inconfort, à condition de privilégier une inertie lourde et de maitriser les apports internes et solaires.


  • Résumé

    Natural ventilation can contribute to the reduction of the air conditioning demand and to the improvement of thermal comfort in office buildings. In this thesis, a simple configuration of natural ventilation, namely single-sided ventilation, is studied experimentally and by simulation. The main phenomena contributing to air change, thermal effect and wind effect, are discussed. Thus, the validity and applicability of existing models to calculate the ventilation rate is evaluated, by comparing their results with those of experiments conducted in a room with a single opening. Thus, CFD results are compared with experimental ones in order to validate the use of CFD for the study of single-sided ventilation. Guidance on the performance of different types of turbulence models is provided. Results from a turbulence model, namely RANS RSM, are used to establish a new correlation for calculating the ventilation rate. This new correlation shows better performance than previously existing correlations, in particular in the case of leeward opening. Finally, this new correlation is coupled to a dynamic thermal model to evaluate the cooling potential of single-sided natural ventilation in new low-energy office buildings. In particular, we study the reduction of cooling requirements in air-conditioned buildings and the number of hours of discomfort without any air conditioning system. The influence of several parameters is considered: climate, orientation, thermal inertia, rate of glazed area, internal gains and ventilation strategy (daily, night and both daily and night ventilation). Simulations show a significant reduction of cooling demand, between 30 and 90%. Moreover, it is possible to achieve thermal comfort throughout the whole year without using air conditioning in offices, provided that high thermal inertia is used and internal and solar gains are reduced.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (211 p.)
  • Annexes : Bibliographie p. 183-192

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  • Bibliothèque : Mines ParisTech. Bibliothèque.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : EMP 160.411 CCL TH 1287
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  • Non disponible pour le PEB
  • Cote : EMP 160.412 CCL TH 1287
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