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Etude de la validité du modèle COMFIE dans le cas de bâtiments à très basse
consommation : cas d’une maison de la plate forme INCAS de Chambéry
1 Introduction Le secteur du bâtiment doit mettre en œuvre de nouvelles solutions techniques et architecturales pour répondre aux attentes sociétales en termes d’économie d’énergie et de protection du climat. Dans ce contexte, l’outil de simulation thermique dynamique COMFIE a pour objectif de fournir aux acteurs une aide à la conception adaptée à ces nouvelles demandes. Des tests par inter-comparaison de modèles ont été menés avec succès dans le cas de bâtiments standards. Il s’agit maintenant de vérifier si les hypothèses du modèle sont toujours valables dans le cas de bâtiments à très basse consommation.
La plateforme INCAS, basée à Chambéry, permet d’effectuer des mesures sur des maisons individuelles s’approchant du label Maison passive. Afin d’évaluer la fiabilité du modèle COMFIE à ce niveau de performance, il convient de comparer les résultats de la simulation aux mesures effectuées sur site. Une première comparaison de logiciels a été menée en phase de conception1, puis des mesures réalisées sur la première maison construite (double murs en parpaings) ont été utilisées.
2 Etude en phase de conception
La maison avec double murs en parpaings a été étudiée par l’INES-CNRS au moyen de différents
logiciels, en utilisant la même année climatique. Dans un premier temps, les coefficients de transfert
convectifs (h) ont été fixés à des valeurs identiques pour tous les modèles. Les résultats en termes de
besoins de chauffage et de puissance maximale appelée sont synthétisés dans la figure ci-dessous.
1 Adrien BRUN, Clara SPITZ, Etienne WURTZ, ANALYSE DU COMPORTEMENT DE DIFFÉRENTS CODES DE CALCUL
DANS LE CAS DE BÂTIMENTS À HAUTE EFFICACITÉ ÉNERGETIQUE, IXème Colloque Interuniversitaire Franco-Québécois sur la Thermique des Systèmes, mai 2009, Lille
2
Comparaison des besoins de chauffage évalués par différents modèles, coefficients h fixés, résultats
de l’INES-CNRS
Les résultats de COMFIE sont très proches de ceux obtenus avec TRNSYS et EnergyPlus, ainsi que
PHPP en ce qui concerne les besoins de chauffage. Si les valeurs de h ne sont plus fixées, chaque
modèle considère ses propres valeurs et les résultats sont alors moins homogènes, cf. la figure ci-
dessous : les besoins de chauffage annuels sont par exemple de 10 kWh/m2 avec EnergyPlus, 14 avec
TRNSYS et 20 avec PHPP (les valeurs de COMFIE avaient été considérées dans la première étape).
Comparaison des besoins de chauffage évalués par différents modèles, influence des coefficients h,
résultats de l’INES-CNRS
Il faut toutefois relativiser ces écarts par rapport à la moyenne du parc existant (200 kWh/m2) et
tenir compte de la forte influence du comportement des habitants : sur un échantillon de 18 maisons
passives identiques en Allemagne2, la moyenne des besoins mesurés respecte bien le seuil de 15
kWh/m2 du label, mais les valeurs se situent entre 5 et 30 selon les maisons (cf. la figure ci-dessous).
Exemple de mesures sur un échantillon de maisons passives, Fraunhofer Institut für
Solarenergiesysteme
2 Fraunhofer Institut für Solarenergiesysteme, Monitoringbericht 2001, Freiburg
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Les puissances maximales appelées calculées par les différents modèles dépendent également des
coefficients h, ce qui pourrait influencer le dimensionnement des équipements. Ceci étant, la
puissance maximale appelée dépend des contraintes fixées par l’utilisateur : elle sera plus élevée par
exemple si on souhaite pouvoir chauffer la maison en quelques heures au retour de vacances d’hiver
qu’en cas d’une occupation continue correspondant au calcul précédent.
L’une des interrogations fréquemment rencontrées sur les maisons à très basse consommation concerne le confort, en été et même aussi en mi-saison. Les profils de température évalués par les différents logiciels ont donc également été comparés par l’INES-CNRS. Les résultats sont présentés ci-dessous, dans un premier temps avec des coefficients h identiques pour tous les modèles.
Comparaison des températures au Rdc sur une journée d’hiver, résultats de l’INES-CNRS
Comparaison des températures au Rdc sur une journée d’été, résultats de l’INES-CNRS
Les résultats de COMFIE sont assez proches de ceux obtenus avec TRNSYS et EnergyPlus. La figure suivante montre la forte influence des coefficients h sur l’évaluation du niveau de confort. L’indicateur correspond au nombre d’heures de l’année où la température est supérieure à 27°C. Ce nombre est très voisin entre COMFIE, EnergyPlus et TRNSYS dans le cas où les coefficients h sont identiques (environ 150 heures, simulation 1), mais il peut monter à 300 h (TRNSYS) voire 400 h (EnergyPlus) si d’autres valeurs de h sont utilisées (simulation 2).
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Comparaison des indices de confort, résultats de l’INES-CNRS
Les coefficients d’échanges convectifs dépendent des vitesses d’air au voisinage des parois, leur détermination est très délicate. La comparaison entre les résultats de simulations et les mesures expérimentales apporte donc un éclairage complémentaire très utile.
3 Comparaison entre simulation et mesures expérimentales La maison étudiée est la maison à « double mur », cf. l’image ci-dessous, d’une surface utile d’environ 90 m2. Les détails constructifs sont donnés dans le rapport final du projet ANR MaisonPassive3.
Plateforme INCAS avec à droite la maison à "double mur", photo INES-CNRS
En l’absence de mesures sur une saison de chauffage complète, la comparaison a porté sur des profils de température. Une première étape a consisté à traiter les données mesurées, dans le but de
3 Projet ANR n° 06 PBAT 006-03, rapport final, juin 2011
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créer un fichier de données climatiques et de préciser les scénarios de fonctionnement du bâtiment, en particulier les apports internes, les débits de renouvellement d’air, la température de consigne et la gestion des occultations (volets roulants).
Une deuxième étape a permis de recenser les paramètres incertains et de proposer pour chacun d’eux un intervalle de valeurs : par exemple les ponts thermiques ne sont pas précisément connus, l’intervalle de variation est fixé entre 0 et 0,2 W m-1 K-1au niveau du pourtour du plancher bas.
Des simulations ont alors été réalisées avec les deux jeux de paramètres, et les profils de température obtenus ont été comparés aux mesures. Un travail similaire a été effectué par l’INES-CNRS en utilisant le logiciel EnergyPlus, les résultats sont indiqués en annexe de ce document.
3.1 Traitement des données
Les mesures concernant l’environnement extérieur, en particulier la température extérieure et le
rayonnement solaire global horizontal, direct et diffus horizontal, ont permis de constituer un fichier
météo au pas de temps horaire, via le logiciel Météocalc. Le rayonnement direct normal n’étant pas
disponible pour le mois de janvier, il a été calculé par une méthode basée sur l’indice de clarté du
ciel. Certaines autres données manquantes ont été interpolées linéairement.
Les données expérimentales, une fois traitées, ont permis de préciser les scénarios de température
de consigne, de ventilation, de puissance dissipée dans la maison, et d’occultation. La puissance
dissipée par les instruments de mesures et les systèmes de CVC, est supposée correspondre aux
consommations d’électricité mesurées : 286 W au total, 238W au rez-de-chaussée et 48W à l’étage.
Des valeurs moyennes de débits d’air (VMC double flux) ont été calculées à partir des valeurs
mesurées pour les périodes de chauffage et de réduit. Un rendement de 85% est considéré pour
l’échangeur de la ventilation double flux. Un débit a été ajouté pour tenir compte des infiltrations
d’air, cf. le § suivant concernant les paramètres incertains. Une température de consigne de 18°C est
considérée au rez-de-chaussée, et de 20°C à l’étage, la consigne étant partout de 10°C en période de
chauffage réduit. La puissance maximale de chauffage est de 600 W à chaque niveau. Les volets
roulants sont selon les périodes constamment ouverts, constamment fermés, ou fermés de 18h à 7h.
3.2 Paramètres incertains
Une étude par plans d’expérience a permis d’identifier un certain nombre de paramètres et
d’hypothèses de modélisation induisant des incertitudes sur les résultats de simulation
(températures des zones thermiques). Il s’agit par exemple des ponts thermiques, des infiltrations
d’air ou des coefficients d’échange superficiels. Certaines interactions entre hypothèses de
modélisation peuvent être importantes : la répartition du flux solaire sur les parois interagit avec le
choix du nombre de zones thermiques dans le bâtiment (par exemple une seule zone, une zone par
étage, ou une zone par pièce).
Il semble alors pertinent d’évaluer par simulation, non pas un profil unique de température, mais un
intervalle de valeurs.
Ainsi, deux modèles de la maison à double mur ont été étudiés :
- Un modèle dit « inf », correspondant à la borne inférieure de l’intervalle, - Un modèle dit « sup », correspondant à la borne supérieure.
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Ces modèles considèrent un découpage du bâti en 4 zones thermiques: vide sanitaire, rez-de-
chaussée, étage, combles. Les intervalles de variation définis pour les paramètres incertains sont
donnés dans le tableau ci-dessous.
Paramètres Cas inf Cas sup
h int4
h ext5
Paroi verticale : 3,29 Paroi verticale : 1,1
Plancher haut : 4,7 Plancher haut : 1
Plancher bas : 2,5 Plancher bas : 1
Plancher intermédiaire : 3 Plancher intermédiaire : 1
Paroi verticale : 24,67 Paroi verticale : 5,6
Plancher haut : 18,9 Plancher haut : 2,4
Plancher bas : 20 Plancher bas : 1,3
Grenier ventilé : 17,5 Grenier ventilé : 2,4
Vide sanitaire : 17,5 Vide sanitaire : 1,3
albédos 0,18 janvier : 0,67 ; 0,33 les autres mois
Répartition du flux
solaire
Par défaut sur l’ensemble des parois en fonction de leur surface et de
leurs propriétés optiques
Tout le flux est affecté au plancher
coefficients
d'absorption
intérieur : 0,2 intérieur : 0,6
extérieur : 0,2 extérieur : 0,7
portion sous PV : 0,1 portion sous PV : 0,4
Ponts thermiques
(plancher bas)
0,2 W/m.K 0 W/m.K
Infiltrations d’air 0,16 vol/h 0,115 vol/h
Emissivité 0,95 0,85
Résistance
thermique des
occultations
0,05 m².K/W 0,20 m².K/W
3.3 Comparaison mesures/simulation
La période d’étude s’étend du 1/01/2011 au 10/03/2011 avec deux périodes de réduit, du 4/02 au
14/02 où les volets sont constamment fermés et du 3/03 au 10/03 où les volets sont fermés la nuit et
ouverts la journée. Ces périodes de réduit sont intéressantes car elles permettent d’étudier
comment le modèle reproduit le comportement dynamique du bâtiment en période de ralenti puis
de relance du chauffage.
Dans une première comparaison, les températures de la maison à double mur ont été calculées sur
toute la durée du mois de février. La température extérieure, le rayonnement solaire suivant
l’orientation et les températures intérieures du rez-de-chaussée et de l’étage ont été étudiés.
La température mesurée au rez-de-chaussée correspond à la température d’air dans le séjour. A
l’étage, il s’agit de la température d’air moyenne des trois chambres. Les résultats de simulation
4 h int : coefficient de transfert convectif superficiel du côté intérieur, W/m
2.K
5 h ext : coefficient de transfert convectif superficiel du côté extérieur, W/m
2.K
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correspondent à des températures de zones, proches des températures résultantes (indicateur
pertinent pour le confort thermique), et non à des températures d’air. Les mesures par boules noires
pourraient être utilisées pour estimer ces températures résultantes, mais les incertitudes sont sans
doute plus importantes.
Le comportement du cas inf tend à se rapprocher des valeurs mesurées au rez-de-chaussée en
période de réduit, soit du 4/02 au 14/02. On constate de plus que, toujours pour le même cas inf,
lors de la reprise du chauffage, à partir du 14/02, l’évolution est globalement correcte, même si une
différence persiste entre la simulation et les mesures, au niveau des jours ensoleillés.
A l’étage, on constate que les données expérimentales sont proches du cas sup en ce qui concerne la
période de réduit et de relance, puis qu’elles sont supérieures pendant les 10 derniers jours du mois
de février.
La sous-estimation des températures lors des périodes ensoleillées pourrait être liée à l’évaluation
du rayonnement solaire sur plan incliné à partir des mesures des rayonnements global horizontal,
direct normal et diffus horizontal, cf. la figure ci-dessous. La même tendance est constatée avec
EnergyPlus, cf. l’annexe de ce document.
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
01/02/11 03/02/11 05/02/11 07/02/11 09/02/11 11/02/11 13/02/11 15/02/11 17/02/11 19/02/11 21/02/11 23/02/11 25/02/11 27/02/11 01/03/11
Tem
pé
ratu
re e
n °
C
Jours
Evolution de la température au rez-de-chaussée
Tair mesurée
Cas inf
Cas sup
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22
24
26
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01/02/11 03/02/11 05/02/11 07/02/11 09/02/11 11/02/11 13/02/11 15/02/11 17/02/11 19/02/11 21/02/11 23/02/11 25/02/11 27/02/11 01/03/11
Tem
pé
ratu
re e
n °
C
Jours
Evolution de la température à l'étage
Tair mesurée
Cas inf
Cas sup
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Comparaison entre le rayonnement solaire vertical sud mesuré et estimé par calcul
Pour pouvoir quantifier l’écart existant entre les données expérimentales et les données mesurées,
l’erreur quadratique moyenne EQM a été calculée sur le mois de février.
EQM = �∑(�������é���� ��� é)²���� ���� �
Erreur quadratique moyenne par rapport aux mesures sur le mois de février
Un utilisateur de COMFIE n’ayant pas accès aux sources aurait utilisé les valeurs par défaut pour les
coefficients d’échanges convectifs et la répartition du flux solaire. Les valeurs par défaut sont
également le plus souvent utilisées pour les propriétés optiques des surfaces (facteurs d’absorption
et d’émission) ainsi que pour l’albédo du sol environnant. Il est alors intéressant d’évaluer l’erreur
quadratique moyenne dans ce cas. En considérant les valeurs du cas sup pour les infiltrations d’air et
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1/2/11 3/2/11 5/2/11 7/2/11 9/2/11 11/2/11 13/2/11 15/2/11 17/2/11 19/2/11 21/2/11 23/2/11 25/2/11 27/2/11 1/3/11
Flu
x so
lair
e e
n W
/m²
Jours
Variation du flux solaire au sud
mesuré
calculé
2,48
2,262,37
0,94
0,730,83
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
rez-de-chaussée étage moyenne
Te
mp
éra
ture
°C
Erreur quadratique moyenne
Cas inf
Cas sup
9
les ponts thermiques, et une valeur moyenne pour la résistance thermique des occultations (ce
paramètre ayant assez peu d’influence), les résultats sont les suivants dans le cas d’un modèle
multizones (une zone par pièce, la chambre 1 étant du côté nord et la chambre 2 du côté sud).
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01/02/11 03/02/11 05/02/11 07/02/11 09/02/11 11/02/11 13/02/11 15/02/11 17/02/11 19/02/11 21/02/11 23/02/11 25/02/11 27/02/11 01/03/11
Tem
pé
ratu
re e
n °
C
Jours
Evolution de la température dans le séjour
Tair mesurée
T calculée
10
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01/02/11 03/02/11 05/02/11 07/02/11 09/02/11 11/02/11 13/02/11 15/02/11 17/02/11 19/02/11 21/02/11 23/02/11 25/02/11 27/02/11 01/03/11
Tem
pé
ratu
re e
n °
C
Jours
Evolution de la température dans la chambre 1
Tair mesurée
T calculée
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
01/02/11 03/02/11 05/02/11 07/02/11 09/02/11 11/02/11 13/02/11 15/02/11 17/02/11 19/02/11 21/02/11 23/02/11 25/02/11 27/02/11 01/03/11
Tem
pé
ratu
re e
n °
C
Jours
Evolution de la température chambre 2
Tair mesurée
T calculée
10
Les résultats de ce modèle se rapprochent du cas « sup » : on constate toujours une sous-estimation
des températures lors des périodes ensoleillées, surtout à l’étage.
4 Conclusions et perspectives
Certaines hypothèses de modélisation, en particulier les coefficients d’échanges superficiels
convectifs, ont une influence non négligeable en valeur relative sur les besoins de chauffage de ces
maisons à très basse consommation. Ceci étant les écarts en valeur absolue sont faibles, et
l’incertitude liée au comportement des habitants est beaucoup plus importante. Ces mêmes
paramètres influencent également le calcul de la puissance maximale appelée, mais le
dimensionnement des équipements considère en général des hypothèses prudentes afin d’assurer la
température souhaitée dans toutes les situations. C’est donc essentiellement sur l’évaluation du
confort d’été que les incertitudes concernant les modèles et les données peuvent avoir le plus de
conséquences en phase de conception.
Le code de calcul COMFIE a été adapté afin de faire varier certaines hypothèses de modélisation
(répartition du flux solaire sur les parois d’une zone, coefficients d’échanges convectifs), et un
intervalle de variation a été défini pour les paramètres incertains (ponts thermiques, infiltrations
d’air…). La simulation a alors permis d’évaluer deux profils de température, qui ont été comparés aux
mesures effectuées sur la plate forme INCAS durant le mois de février 2011. Les mesures se situent
en général à l’intérieur de l’intervalle des deux profils résultant de la simulation, sauf pour ce qui
concerne la température de l’étage durant les périodes ensoleillées. Cet écart pourrait provenir en
partie du calcul du flux solaire incident. En utilisant les valeurs par défaut du logiciel COMFIE et des
estimations pour les infiltrations d’air et les ponts thermiques, l’erreur quadratique moyenne est
inférieure à 1°C sur la période considérée (mois de février).
L’intérêt d’un outil d’aide à la conception ne réside pas tant dans la prévision des valeurs absolues,
qui dépendent des aléas climatiques et des comportements, que dans la sensibilité aux paramètres
de conception. Ces études de comparaison aux mesures et de variations paramétriques seront
poursuivies dans le cadre du projet ANR Fiabilité, dans le but de réduire la plage d’incertitude sur les
paramètres d’entrées et les résultats.
0,79 0,79
0,890,82
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,80
0,90
1,00
séjour Chambre 1 Chambre 2 Moyenne
Tem
pé
ratu
re °C
Erreur Quadratique Moyenne
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Annexe : extrait du rapport final du projet ANR MaisonPassive (n° 06 PBAT 006-03), juin 2011
Les intervalles de variation des paramètres considérés sont donnés dans le tableau ci-dessous. Les
valeurs correspondent à celles considérées dans les simulations avec COMFIE, sauf pour les gains
internes (288 W a été considéré pour COMFIE, ce qui correspond à la valeur basse de l’intervalle
considéré pour les simulations avec EnergyPlus).
Les résultats des simulations avec EnergyPlus (maison à double mur) sont les suivants.