Exemples d'applications de la simulation CFD dans le domaine du bâtiment - Marc-André Baillifard

Exemples d’applications de
la simulation CFD dans le
domaine du bâtiment

     Marc-André Baillifard
           Dr. Sc. ETH

  ANSYS conference & 10ème Forum
            CADFEM
           11.09.2013

Présentation Weinmann-Energies
       Bureau d’étude en CVS-MCR de plus de 60 collaborateurs

              Notre but est la conception, la réalisation de nouvelles
             installations ainsi que le diagnostic et la transformation
           d’installations existantes dans les domaines du chauffage,
            de la ventilation, de la climatisation et du sanitaire (CVS)
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Sommaire

       Utilisation de la CFD dans le bâtiment

       Exemples d’application

           Désenfumage de locaux

           Vérification de faisabilité

           Optimisation de la ventilation de parking

       Conclusions

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CFD dans le bâtiment : applications

                          www.nasa.gov
                                Simulation écoulement extérieur                    http://www.schneider.co.il

                                                                                       Simulation datacenter

                                                                              energydesignresources.com
                                   http://www.imaginit.com
    http://energydesignresources.com                                                      Simulation ventilation naturelle
          Simulation ventilation

                                                  http://www.ethz.ch

                                                      Simulation flux laminaire hôpital

4           … et encore bien d’autres applications possibles!

CFD dans le bâtiment : applications
       Dans un bureau d’ingénieur en CVC, la simulation CFD
        est principalement utilisée comme:
           Outil de vérification de concepts et optimisation

           Outil de dimensionnement

           Outil de preuve de respect des normes

       Quelques exemples d’application sont présentés ici

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VALIDATION D’UN SYSTÈME DE
    DÉSENFUMAGE À L’AIDE DE SIMULATIONS
                   CFD

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Désenfumage: problématique
       Désenfumage est une des mesures techniques prévue
        par AEAI
       But du désenfumage: maintenir une zone libre de fumée
          Pour évacuation des personnes
          Intervention des pompiers

                  Sans désenfumage   Avec désenfumage
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Désenfumage: principe
        Principe général: extraction en partie haute (mécanique
         ou naturelle), compensation en partie basse

                Désenfumage naturel        Désenfumage mécanique

       Dans certaines conditions, AEAI requiert une preuve
        par le calcul du bon fonctionnement du désenfumage
        => Une méthode utilisable est le calcul par CFD
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Désenfumage: exemple d’un parking
       Parking de un étage, divisé en trois compartiments

                                      5.3 m2   5.3 m2   5.3 m2    5.3 m2   5.3 m2   5.3 m2   5.3 m2   5.3 m2

                             4.4 m2
        4.2 m2
                                                   Compartiment 2                   Compartiment 3
                                                     2110 m2                          3130 m2
                      Compartiment 1
                        1940 m2                                                                                       4.4 m2

                                                                                                               66’000 m3/h
                 60’000   m3/h   60’000 m3/h   70’000 m3/h       70’000 m3/h   66’000 m3/h      66’000 m3/h

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Désenfumage: exemple d’un parking
        Concept de désenfumage: désenfumage mécanique,
         200’000 m3/h

            66’000 m3/h
                          66’000 m3/h
                                        66’000 m3/h
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Désenfumage: Modélisation CFD
        Incendie modélisé comme source de chaleur et de suies
        Point de départ du modèle CFD: puissance incendie

        Paramètres supplémentaires:
            Dégagement de chaleur du combustible (25’000 MJ/kg)
            Taux de production de suie (0.05 kgsuie/kgcombustible)
            Puissance volumique de l’incendie (500 kW/m3)
            Forme de l’incendie (cylindre, cône, etc.)
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Désenfumage: choix des modèles
        Radiation: Discrete transfer
            attention, coefficient d’absorption de l’air dépend de la
             concentration en suies! Valeurs disponibles dans la littérature
        Turbulence:
            RANS (SST, k-epsilon) bonne solution, mais nécessite
             l’activation des paramètres de turbulence gravitationnaire!
                                2.5

                                 2
                  Hauteur (m)

                                1.5

                                 1                     Avec turb. gravitationnaire

                                0.5                    Sans turb. gravitationnaire

                                 0

                                      Concentration de fumée (kg/m3)

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Désenfumage: critères à respecter
        Concentration de suie max. de 40 mg/m3 acceptable car:
          Visibilité de 10 à 25 m selon signalisation de secours
          Concentration de gaz toxiques encore faible

        Système de désenfumage validé si:
          Hauteur libre de fumée suffisante… (1.5 à 2 m)
          … pendant un intervalle de temps suffisant (15 à 30’)

         => Simulation CFD instationnaire de l’incendie, durée 30’

         Concentration de fumée calculée    Iso-surface de concentration de fumée
                                                           40 mg/m3
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Désenfumage: critères à respecter

     Iso-concentration de fumée 40 mg/m3                Surface de référence, hauteur de 2 m

          Surface de référence enfumée. Doit être < que 20% de la surface de référence
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Désenfumage: critères à respecter
        Dans le parking présenté, la surface enfumée à 1.6 m
         de haut est inférieure à 20% pendant plus de 10’

        Très difficile d’obtenir de meilleures résultats dans les
         parkings souterrains
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VÉRIFICATION DES PERTES DE CHARGES
       DANS UN RÉSEAU DE VENTILATION

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Pertes de charge de ventilation: problématique
        Débit de désenfumage de 60’000 m3/h
        Réseau de gaine compliqué car manque de place

        Ventilateur axial
        Pression statique
         disponible pour débit de
         60’000 m3/h : 1200 Pa
        Est-ce suffisant?
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Pertes de charge de ventilation: simulation
        Modélisation du réseau de gaines avec CFX

        Endroit critique: pièce de jonction entre les gaines
        Pertes de charge de ~1100 Pa
        Ventilateur prévu est donc suffisant
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OPTIMISATION DE LA VENTILATION D’UN
                  PARKING

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Ventilation parking: problématique
        SICC définit la limite de concentration acceptable de
         CO dans les parkings à 100 ppm
        SICC définit comment le dimensionnement doit se faire:
            Extraction en partie haute et en partie basse
            Ecartement maximal de 20 mètres
            Etc.
         => nombreuses gaines, coûteux et difficile à réaliser

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Ventilation parking: problématique
        Concept de ventilation plus simple possible avec
         ventilateurs à impulsion (jetfan)

        Problème: technique pas encore reconnue par la SICC
         => prouver par simulations CFD que ce concept est
         aussi efficace que le concept standard
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Ventilation parking: simulations
         Simulation de deux situations:
            Concept de ventilation standard selon SICC
            Concept de ventilation simplifié
         Concept de ventilation simplifié acceptable si aussi bon que
          concept standard
         Source de CO sur les zones de circulation, selon SICC

         Zone source CO

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Ventilation parking: résultats de simulation

                       Variante jetfan   Variante standard SICC

        Variante jetfan est au moins aussi bonne que variante
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         standard. => variante acceptable!

Conclusions
        Simulations CFD est un outil important également dans
         le domaine du bâtiment
        Permet de réaliser des concepts de CVC plus efficaces
         et plus économiques
        …Mais nécessite quand même de la réflexion!

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Merci de votre attention!

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