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Fiche de lecture
Étude du confort thermique ressenti dans espaces intérieurs et extérieurs
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Résumé du travail
La problématique du confort thermique est devenue l'une des préoccupations majeures dans le domaine de
l'ingénierie climatique. L'urbanisation massive du siècle dernier, combinée à un nombre de personnes toujours plus
important travaillant dans des environnements clos, nécessitent des études approfondies afin de permettre aux
usagers de bâtiments ou d'espaces publics d'évoluer dans un environnement thermiquement confortable.
L'objet premier du PFE est de réaliser un document récapitulatif des normes et savoirs existants en matière de
confort thermique intérieur et extérieur. Par la suite, des études de confort thermique extérieur sont présentées pour
deux projets distincts, afin d'analyser le ressenti thermique des personnes dans des climats chauds et humides.
Deux outils sont utilisés pour calculer les températures perçues : un programme de calcul utilisant le solveur
d'équations EES, dans lequel le modèle de transfert thermique décrit est unidimensionnel ; et TRNSYS, logiciel de
simulation dynamique permettant de prendre en compte les échanges thermiques dans les trois dimensions
spatiales.
Mots clés
Confort thermique intérieur, confort thermique extérieur, température perçue, TRNSYS, modèle 3D
Points forts de l‘étude
1) Récapitulatif des normes et connaissances existantes en matière de confort thermique
Création d‘un document reprenant le contenu des principales normes ou textes existant traitant aussi bien des
problématiques de confort intérieur qu‘extérieur. Principaux textes étudiés : norme EN7730 détaillant le calcul des
indices PMV et PPD (pour les bâtiments ventilés mécaniquement), norme ASHRAE n°55 reprenant également ces
éléments et détaillant le standard de confort adaptatif pour les bâtiments ventilés naturellement), VDI 3787 pour la
définition d‘index de confort extérieur tels que PT ( température perçue) ou encore PET (température physiologique
équivalente).
Création de 3 tableaux récapitulatifs :
? résumé des principales normes (contenu et domaines de validité des différentes théories)
? principaux indices de températures existant et leur domaine d‘utilisation
? utilisation des différentes normes et de leur contenu selon le type de climat et d‘étude à réaliser
2) Étude de confort thermique extérieur pour le port de Tanger au Maroc
Projet : Réhabilitation de la zone du port de Tanger. L‘objectif est de créer de nouveaux espaces publics afin de
redynamiser cette partie de la ville.
Points traités dans l‘étude :
? Analyse climatique du site (température, humidité, rayonnement solaire, vent, température du sol, potentiel
de rafraîchissement adiabatique etc.)
? Optimisation du confort thermique extérieur pour les situations d‘hiver et d‘été à l‘aide d‘un outil de calcul des
températures perçues (modèle à une dimension)
? Présentation sous forme de diaporama des résultats
? Recommandations au client
Points intéressants de l‘étude :
La présentation des résultats de l‘étude a été réalisée sous forme de diaporama Powerpoint. Le modèle de la
présentation a depuis été repris pour de nouvelles études de confort extérieur. Par ailleurs, les fichiers Excel de
traitement des résultats ont été améliorés. Il est possible d‘utiliser ces fichiers pour de futurs projets.
Projet de Fin d‘Études - Génie Climatique et Énergétique
Étudiant : Thiébaut PARENT
Tuteur : Carmen VASILE-MULLER
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3) Étude de confort thermique extérieur pour l‘éco-parc de Taichung à Taiwan
Points traités dans l‘étude :
? Analyse climatique du lieu (température, humidité, rayonnement solaire, étude de vent détaillée, température
du sol, potentiel photovoltaique, de rafraîchissement adiabatique etc.)
? Étude paramétrique afin d‘analyser l‘influence de chaque paramètre climatique sur les variations de
températures perçues dans le parc
? Création de modèles 3D sur le logiciel TRNSYS, afin de modéliser l‘influence des équipements climatiques
installés dans le parc sur les températures perçues
? Création d‘un fichier Excel de traitement des données issues des simulations
N
N
à gauche : Carte de Taiwan avec l‘emplacement de l‘écoparc de Taichung
à droite : Carte du parc et emplacements des équipements
prévus (en rouge : équipements visant à réduire les
températures ; en bleu : équipements visant à réduire
l‘humidité ; en noir : équipements visant à réduire la
pollution)
Éléments de l‘analyse climatique de Taichung
En été, les températures dépassent régulièrement 30°C (cf graphique ci-dessous). La température moyenne
annuelle (en bleu) est de 23,5°C. Le climat est par ailleurs très humide, il est donc facilement concevable que les
conditions climatiques peuvent être assimilées comme inconfortables par la population locale. Les vitesses de vent
sont très faibles (supérieures à 3 m/s durant moins de 28% du temps); le potentiel de production d‘électricité
éolienne est donc quasi nul (cf diagramme ci-dessous). Globalement, les vents viennent majoritairement du Nord
(cf. rose des vents ci-dessous).
L'humidité relative est rarement inférieure à 50%, et dépasse
régulièrement 70%, valeur à partir de laquelle les personnes
interrogées dans des enquêtes désirent généralement un air plus
sec. Il est également nécessaire d'être vigilant en ce qui concerne
les températures de rosée à Taichung. En effet, si la température
d'une surface dépasse le point de rosée, de la condensation se
forme. À Taichung, les températures de rosée dépassent
fréquemment 20°C (4157h soit 47% du temps), ce qui témoigne du
caractère très humide du climat dans cette région.
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Création de modèles thermiques en 3D sur TRNSYS pour simuler le confort extérieur dans le parc :
Modèle 3D de base utilisé pour la simulation
du confort thermique extérieur dans TRNSYS
Environnement
extérieur
y
x
10 m
Température de l‘air
Humidité de l‘air
Vitesse de vent
Rayonnement
infrarouge
parois veticales
vitrées à 99%
transmissivité du
vitrage : 100%
4m
sol massif
(béton ou autre)
zone thermique avec géolocalisation d‘un
point de confort (x=5m,y=5m et z=1m) pour
lequel sont calculés les facteurs d‘angles
et la température radiative moyenne
Cas de base
L‘étude est réalisée sur une année
complète, de 8h à 20h. La sensation
thermique ressentie par les
personnes à Taichung peut être
décrite comme trop chaude ou très
chaude durant respectivement 21,9%
et 20,4% du temps. Cela témoigne du
fait que les conditions climatiques de
cette région sont plutôt
inconfortables.
Description et hypothèses
Personne exposée aux conditions
extérieures ;
Environnement non ombragé et exposé au
vent (coefficient de réduction de la vitesse de
vent de 0,70, tenant compte de la différence
de vitesse du vent entre la prise de mesure à
10 mètres de hauteur et celle au niveau du
sol)
Revêtement sombre (réflectivité solaire de
0,20)
PT>=38
20.4%
19.7%
32<=PT<38
Température
perçue
26<=PT<32
PT
en °C
20<=PT<26
PT
≥ +38
0<=PT<20
+32 ≤ PT < +38
PT<0
+26 ≤ PT < +32
+20 ≤ PT < +26
0 < PT < +20
0 < PT
Sensation
thermique
trop chaud
très chaud
chaud
légèrement chaud
confortable
froid
14.2%
PT au 26 Juin 11h30
0.0%
Exemple d‘études d‘équipements d‘ombrage grâce à un
modèle physique en 3 dimensions sur le logiciel TRNSYS :
parasol à faible émissivité
Synthèse des normes et indices de confort existant dans la littérature
Ce travail préliminaire, réalisé au début du PFE, m‘a permis de réaliser trois documents reprenant le contenu des
différentes normes. Ce document a servi de base de travail durant tout le PFE.
Modèles physiques unidimensionnels (outil EES)
adaptés pour des simulations d‘environnements simples (pas de masques solaires influant sur la zone thermique
à considérer, ni de logique de régulation importante)
? adaptés pour des phases d'avant projet, ou pour des études de cas sommaires (pour des concours par exemple)
21.9%
23.7%
structure massive
Conclusions du PFE
?
29.2 °C
PT_Basis_no_shading_wind0.7
pergola
Points intéressants de l‘étude
? Modèle 3D adaptable à d‘autres localités géographiques
? Modèle évolutif : possibilité d‘y intégrer de nouveaux éléments (phénomènes physiques, régulation etc.)
? Création de fichiers Excel de traitement des données issues des simulations, réutilisables pour d‘autres
projets
Résultats sur une année, de 8h à 20h
PT au 28 Avril 15h10
Équipements
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z
Rayonnement solaire diffuse
Modèle abstrait
toiture vitrée à 99%
transmissivité du vitrage : 100%
10 m
Rayonnement solaire direct
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Modifications apportées au modèle 3D de base et paramètres
physiques impactés par rapport au cas de base
Ombrage fixe : transmissivité solaire 60%, émissivité 90% ;
Réduction de la température radiative moyenne
Toiture massive (20 cm de béton)
Lieu ombragé par conséquent à 100%, émissivité du béton : 90% ;
Réduction de la température radiative moyenne
Ombrage fixe : transmissivité solaire 0%, faible émissivité 5% ;
Réduction de la température radiative moyenne
Nous pouvons constater d‘après les histogrammes ci-contre que
l‘ombrage le plus efficace est le parasol à faible émissivité. Il s'avère
plus performant que la structure massive de béton, et plus performant
qu'une simple pergola laissant passer 40% du rayonnement solaire.
Ainsi, la part d'heures où PT est supérieure à 32°C (sensation
thermique „trop chaude“ ou „très chaude“) n'est plus que de 35% pour
le parasol, contre 42% pour le cas de base. La part d'heures où
PT<20°C (sensation thermique „confortable“ selon la théorie de PT),
a également augmenté à 30,1% pour le parasol contre 23,7%
seulement pour le cas de base.
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38.8 °C
Modèles physique en 3D réalisés sur TRNSYS
? outil plus puissant (prise en compte de l'influence des masques solaires dans le calcul de la température radiative
moyenne en un point d'une zone thermique, via la prise en compte de facteurs d'angles)
? nécessitent plus de temps à être élaborés (notamment le dessin sur GOOGLE SKETCH UP et la définition des
conditions aux limites)
? traitement des modèles dans l'interface TRNSYS Studio généralement similaire : quatre paramètres d'entrée
pour le calcul de PT à prendre en compte : température d'air, température radiative moyenne, vitesse d'air et
humidité absolue
? modèles thermiques 3D et interfaces mises au point durant le PFE réutilisables et adaptables à de nouveaux
projets
? à privilégier durant les phases de projets avancées (projet)
Pistes de travail
Il serait à présent intéressant de standardiser la méthode de création des modèles 3D sur TRNSYS pour les études
de confort extérieur, afin que ces dernières aient des hypothèses de base identiques, et les plus réalistes possibles.
Ceci permettra également, à modèles thermiques identiques, de comparer les résultats obtenus pour des climats
différents, et d'améliorer de ce fait notre esprit critique pour de futures études. En effet, ce point tient à mon sens une
part particulièrement importante dans le travail d'un consultant énergétique.
Bilan personnel
Ces six mois passés à Stuttgart m'ont permis de développer mon esprit critique de manière générale, et plus
particulièrement dans le domaine des études de confort extérieures. Par ailleurs, j‘ai pu me perfectionner en
Allemand et en Anglais. Ceci me tenait particulièrement à cœur, ayant l'intention de travailler à l'international.
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Éléments de l‘analyse climatique de Tanger
En hiver, il peut arriver que les températures extérieures baissent en
dessous des températures limites pour le confort extérieur (cf graphique cidessous). En été, certaines heures dépassent les 30°C acceptables ; les
températures perçues devront donc être réduites en été.
Le diagramme de l‘air humide ci-dessous pour la ville de Tanger (où chaque
point bleu représente un couple température-humidité pour une heure de
l‘année) montre que l‘air est globalement humide du fait de la proximité du
site avec la mer. La limite de 70% d‘humidité relative (en rouge), correspond
à la limite d‘humidité au-delà de laquelle une majorité de personnes
interrogées exigent un air plus sec.
L'étude de données météorologiques a
montré que l'on dépasse des vitesses de 5
m/s durant 45% du temps. En terme de
confort extérieur, bien que les vitesses de
vent peuvent réduire les températures
perçues en raison d'un échange convectif
entre la peau et l'environnement accru, des
études scientifiques ont suggéré qu'il était
désirable pour les piétons de n'être exposés à
des vitesses de vent supérieures à 5 m/s
durant moins de 10% du temps. Ce projet
nécessite donc de protéger certaines zones
publiques du vent, afin d'éviter une exposition
prolongée à des vitesses de vent trop
élevées.
Exemple d‘optimisation du confort extérieur
pour la situation d‘été à Tanger, à l‘aide d‘un
modèle physique à une dimension :
Dans le cas le plus défavorable (cas de base), la
personne est exposée au soleil et protégée du vent.
La sensation thermique peut dans ce cas être
qualifiée de trop chaude ou très chaude pendant
43,7% du temps.
La situation évaluée la plus confortable est celle où la
personne est exposée au vent, située à l‘ombre et à
proximité d‘un point d‘eau (potentiel de
rafraîchissement adiabatique pris en compte). La
sensation thermique qualifiée de trop chaude
n‘intervient alors plus que dans 1,5% du temps,
tandis que la plage de confort (basse et haute)
intervient durant 53,9% du temps, contre 3%
seulement dans le cas le plus défavorable.
du plus inconfortable au plus confortable
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