1

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

3

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).

4

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

5

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.

6

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

7

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

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 à l'étage

Tair mesurée

Cas inf

Cas sup

8

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).

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 dans le séjour

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 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

11

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.