Etude de stratégies de ventilation pour améliorer la qualité environnementale intérieure et le confort des occupants en milieu scolaire

par Adrien Dhalluin

Thèse de doctorat en Génie civil

Sous la direction de Stéphane Ginestet et de Karim Limam.

Soutenue le 19-06-2012

à La Rochelle , dans le cadre de Sciences et ingénierie en Matériaux, Mécanique, Energétique et Aéronautique .

Le président du jury était Christian Ghiaus.

Le jury était composé de Stéphane Ginestet, Pierre Deroubaix, Françoise Thellier.

Les rapporteurs étaient Christian Ghiaus, Emmanuel Antczak.


  • Résumé

    La ventilation est un secteur clé du bâtiment, dont le rôle est d’assurer un air sain et confortable toute l’année, ce qui est rarement le cas dans les bâtiments scolaires, tout en minimisant les consommations énergétiques. Nos travaux consistent à apporter des éléments de réponses et des pistes d’amélioration pour l’élaboration de stratégies de ventilation appropriées au milieu scolaire, à partir de travaux expérimentaux et numériques. Pour ce faire, quatre modes de ventilation (naturelle et mixte) ont été testés dans des salles de classes de l’Université de La Rochelle, et leurs performances ont été comparées via une évaluation multicritère basée sur les paramètres physiques caractérisant l’environnement intérieur, les indices de confort (subjectif, analytique et adaptatif) et des critères énergétiques. Des méthodes normatives de classification et des estimations de consommations énergétiques nous ont permis de conclure, que le système de ventilation naturelle par ouverture automatisée des fenêtres, contrôlé par la détection de présence et des paramètres thermiques (système SOS), est le meilleur compromis. Nous soumettons toutefois dans ce manuscrit, un certain nombre d’améliorations à apporter à ce système.Notre contribution porte également sur la connaissance des mécanismes du confort humain et en particulier ses réactions adaptatives, en définissant les conditions favorables au confort et en proposant des modèles prédictifs du confort global, de l’ajustement personnel ainsi que du contrôle individuel de l’ambiance par les occupants. Ces résultats ont notamment pour vocation d’améliorer la prise en compte des interactions entre les occupants et leur environnement dans les simulations numériques et pourraient également servir de base au développement d’une stratégie de ventilation optimisée. Au niveau numérique, nous proposons des simulations annuelles de quatre stratégies de ventilation, très proches de celles testées sur site, à l’aide d’un code thermo-aéraulique multizone (couplage Trnsys/Contam), que nous avons validé à partir de certaines séquences de mesures. En tenant compte d’un scénario d’occupation scolaire standard et du fichier météorologique correspondant à la station de La Rochelle, nous avons notamment montré qu’il est primordial de pré-chauffer l’air d’un système de ventilation mécanique, sous peine d’être confronté à des besoins de chauffage insurmontables. En introduisant une puissance de chauffage illimitée, permettant de maintenir une température minimale acceptable et ainsi de simuler des conditions d’enseignement réalistes, il apparaît que la meilleure qualité environnementale intérieure est à nouveau obtenue avec le système SOS. Notre modèle nous donne désormais la possibilité de multiplier les stratégies de ventilation, ainsi que les scénarios d’occupation, les conditions climatiques ou tout autre étude paramétrique, afin d’élaborer les meilleures stratégies de ventilation dans chaque configuration.

  • Titre traduit

    Study of ventilation strategies improving indoor environmental quality and comfort in scholar buildings


  • Résumé

    Ventilation is a key sector of building, whose role is to ensure healthy and comfortable air all over the year, which is rarely the case in school buildings, while minimizing energy consumption. Our work provides some answers and possible improvements for the development of appropriate ventilation strategies for schools, from experimental and numerical work.To achieve this, four modes of ventilation (natural and mixed ventilation modes) were tested in classrooms of the University of La Rochelle, and their performances were compared via a multicriteria evaluation based on the physical parameters characterizing the indoor environment, comfort indices (subjective, analytical and adaptive) and energy criteria. Normative methods of classification and estimates of energy consumption enabled us to conclude that the natural ventilation system by automated opening windows, controlled by the presence detection and thermal parameters (SOS), is the best compromise. However, we submit in this manuscript, some improvements to this system.Our contribution concerns also the understanding of the human comfort mechanisms and in particular its adaptive reactions, by defining the favorable conditions for a state of comfort and providing predictive models concerning overall comfort, personal adjustments and the individual control of the indoor environment by the occupants. These results aim to improve the consideration of the interactions between occupants and their environment in numerical simulations, and may serve as a basis for developing an optimized ventilation strategy.Numerically, we propose annual simulations of four ventilation strategies, very similar to those tested in situ, by using a combined heat and mass transfer multizone model (coupling Trnsys / CONTAM), that we have validated from selected experimental sequences. Taking into account a standard scenario of occupation and the annual weather conditions for La Rochelle, we have shown the importance to pre-heat the supplied air of a mechanical ventilation system, because of insurmountable heating demand consequences. By introducing an unlimited heating power, in order to maintain a minimum acceptable temperature and thus to simulate realistic learning conditions, it appears that the best indoor environmental quality is again obtained with the SOS system. Our model now gives us the possibility to increase the number of ventilation strategies, as well as the occupation scenarios, the weather conditions or any other parametric study in order to design the best ventilation strategies for each configuration.


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