Experimental and numerical study of ventilative heating and cooling in low-energy buildings
Etude expérimentale et numérique du traitement des ambiances par le vecteur air dans les bâtiments à très basse consommation d'énergie
Résumé
Low-energy buildings benefit from a good thermal insulation and air tightness, associated with a smart integration of the building in its environment. Consequently, the required power for heating and cooling of the building is reduced to a great extent. This allows the use of conditioned ventilation air as the only energy vector: the air is supplied into the rooms at a low-velocity and with a low temperature difference with the indoor air. Air terminal devices are used, whose aim is to provide a homogeneous distribution of temperature and velocity inside of the rooms, and an efficient disposal of the indoor air pollutants. In this prospect, the thermal comfort and ventilation effectiveness in a test room (scale 1) resulting from an integrated heating, cooling and ventilation system is assessed both experimentally and numerically. The air is supplied close to the ceiling through a wall-mounted diffuser of complex geometry composed of twelve lobed nozzles, and the occupancy is modeled by two cylindrical manikins releasing sensible heat and carbon dioxide. Experimentally, the air velocity, CO2 concentration, indoor air, wall and black globe temperatures are monitored in order to assess the Predicted Mean Vote and draught rate in the occupied zone as well as the ventilation efficiency. Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations are then performed in order to provide valuable information on the airflow patterns in the room. The air diffuser’s geometry being too complex for a direct simulation, a two-step modeling approach is adopted in order to take it into account in the simulations and to accurately represent the heat and mass transfers in the room. Furthermore, parametric studies are performed in order to investigate the influence of the supplying conditions and the internal heat gains on the airflow and on the resulting comfort, for particular conditions corresponding to those of low-energy buildings.
Les bâtiments à très basse consommation d’énergie bénéficient d’une isolation thermique performante et d’une bonne étanchéité à l’air, souvent couplées à une conception bioclimatique du bâtiment. L’apport d’énergie nécessaire au chauffage et au rafraîchissement de l’ambiance s’en trouve considérablement réduit. Dans ce contexte, il devient possible d’utiliser l’air comme unique vecteur d’énergie, à des débits suffisamment faibles pour permettre son intégration dans le système de ventilation sanitaire, et avec un écart de température réduit entre l’air soufflé et l’ambiance. Une unité terminale de soufflage, ou diffuseur d’air, a alors pour rôle d’assurer un mélange optimal de l’air neuf avec l’air ambiant, de façon à obtenir une répartition homogène de température et de vitesse dans les pièces d’habitation, et un bon renouvellement de l’air intérieur. Ce travail de thèse propose une étude du confort thermique et de l’efficacité de ventilation dans une cellule climatique à échelle 1 en conditions contrôlées, dans le contexte d’utilisation d’un système combiné de ventilation, chauffage et rafraîchissement. Une stratégie de ventilation par mélange est mise en œuvre à l’aide d’un diffuseur d’air composé de douze buses lobées de géométrie complexe, et l’occupation est prise en compte par des mannequins cylindriques, qui constituent des sources de chaleur sensible et de dioxyde de carbone. La vitesse d’air, la concentration en CO2 ainsi que les températures d’air, de globe noir et des parois de la cellule sont suivies expérimentalement pour différentes conditions de soufflage d’air chaud et froid. Les mesures expérimentales sont complétées par des simulations numériques de mécanique des fluides (CFD), qui visent à caractériser l’écoulement dans la cellule. Cette approche fait intervenir une méthode de modélisation en deux temps afin d’intégrer correctement la géométrie complexe du diffuseur d’air dans les simulations. Des études paramétriques sont ensuite proposées pour des conditions non testées expérimentalement. Celles-ci visent à mettre en évidence l’impact des conditions de soufflage et des charges internes sur l’écoulement et sur le confort, pour les conditions spécifiques aux bâtiments à très basse consommation d’énergie.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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