Evaluation expérimentale des performances des systèmes de ventilation dans le bâtiment : efficacité de ventilation et confort thermique

Building ventilation performance assessement : ventilation efficiency and thermal comfort

• Auteur / Autrice : Yacine Allab
• Direction : Olivier Coutier-Delgosha, Andrea Kindinis, Sophie Simonet, Annie-Claude Bayeul Lainé
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie énergétique
• Date : Soutenance le 12/12/2017
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique de Lille (LML) - Laboratoire de Mécanique de Lille - FRE 3723
• Jury : Président / Présidente : Francis Allard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Andrea Kindinis, Sophie Simonet, Annie-Claude Bayeul Lainé
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Francesco Causone, Mohamed El Mankibi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Constructions -- Propriétés thermiques

Ventilation naturelle

Mots clés libres

Commissionnement de la ventilation

Efficacité de ventilation

Confort thermique

Gaz traceurs

Ventilation naturelle

Qualité de l'air intérieur

Building commissionning

Ventilation efficiency

Thermal comfort

Tracer gas

Natural ventilation

Indoor air quality

Résumé

La performance d’un système doit être bien définie, atteignable et surtout mesurable. Ce n’est pas le cas aujourd’hui pour la ventilation. D’une part, les performances des systèmes de ventilation sont habituellement exprimées sur des considérations énergétiques ou tout simplement sur une estimation trop approximative des débits de ventilation. Les performances liées au confort thermique et à la qualité de l’air intérieur sont abordées séparément à travers des outils d’évaluation dédiés. D’autre part, les outils d’évaluation existants sont aujourd’hui limités dans leur mise en pratique pour des mesures in situ, notamment lorsqu’il s’agit de ventilation naturelle et mixte. L’objectif de cette thèse est alors d’examiner et d’expérimenter les techniques expérimentales existantes à échelle réelle afin de proposer des améliorations sur les méthodes d’évaluation et de commissionnement. La thèse aborde la performance de la ventilation en prenant en compte l’efficacité de ventilation comme performance intrinsèque et le confort thermique comme performance globale.La première partie est consacrée à l’évaluation in situ des performances intrinsèques de ventilation (taux de ventilation, âges moyens de l’air et efficacité de renouvellement d’air), en se basant sur des techniques de gaz traceurs. Après une analyse théorique des différents indicateurs de performance de ventilation et de leurs techniques de mesure correspondantes, une étude expérimentale a été menée dans une salle de cours sous différentes stratégies de ventilation (mécanique, naturelle et mixte). Les analyses ont démontré l’importance de la mise en application des techniques de décroissance de gaz traceurs sur l’incertitude des taux de renouvellement d’air avec notamment une forte influence des temps de mesure et des concentrations de gaz utilisées. Une méthodologie a été adaptée puis testée pour la mesure de l’efficacité de renouvellement d’air en ventilation mécanique, naturelle et mixte en s’affranchissant de mesures en bouches d’extraction (technique habituellement utilisée et préconisée par les normes).La deuxième partie est consacrée à l’évaluation expérimentale in situ du confort thermique sous différentes configurations de ventilation. Différentes méthodes, standards et techniques d’évaluation ont été testés et comparés avec la perception des occupants. Les résultats ont démontré la présence de plusieurs inadéquations lors de la mise en pratique des méthodes et normes existantes. Principalement, il s’agit de l’inadéquation des méthodes statiques (PMV PPD) pour l’évaluation du confort en présence de conditions thermiques fluctuantes, y compris en ventilation mécanique. Les analyses d’incertitudes liées aux erreurs de mesure ont démontré l’incohérence des normes actuelles dans la classification des catégories de confort.

The performance of a system must be well defined, attainable and above all measurable. This is not the case today for ventilation. On the one hand ventilation performance is usually declined on energy efficiency considerations or simply on a rough estimation of ventilation rates. The performance related to thermal comfort and IAQ are addressed separately through dedicated evaluation tools. On the other hand, the existing evaluation tools today are nowadays limited in their practical applications for in situ measurements, in particular in the case of natural and mixed ventilation. The aim of the present thesis is to examine the existing experimental technics, at full scale building in order to propose improvements on evaluation methods and commissioning protocols. The present thesis deals with ventilation performance taking into account ventilation efficiency as intrinsic performance and thermal comfort as overall performance.The first part is devoted to the in situ assessment of intrinsic ventilation performance (ventilation rates, mean age of air, and air exchange efficiency), based on decay tracer gas techniques. After a theorical analysis of the various performance indexes and their corresponding measurement techniques, an experimental study was carried out in a classroom under different ventilation strategies (mechanical, natural & mixed mode). The analysis proved the importance of the application of the tracer gas decay on ventilation rates accuracy with in particular a strong influence of measurement times and used tracer gas concentration. A methodology has been adapted and tested for the measurement of the air exchange efficiency in natural and mixed mode ventilation, by avoiding measurements in exhaust vents (a technique usually used and advocated by current standards).The second part is devoted to in situ assessment of thermal comfort under different ventilation strategies. Different methods, standards and evaluation techniques were tested and compared with occupants’ perception. The results demonstrated the presence of several inadequacies during the implementation of existing methods and standards. Mainly, it concerns the inadequacy of static methods (PMV PPD) for thermal comfort assessment in the presence of fluctuating thermal conditions, even with mechanical ventilation. Uncertainty analysis related to measurement errors has demonstrated the incoherence of current standards in the classification of comfort categories.