Modernisation des locaux du CSTB Nantes

Caractérisation des performances de ventilation

Il s'agit ici de la partie classique d'une étude en ventilation naturelle. Elle déroule en deux étapes. La première consiste en un diagnostic aéraulique du bâtiment au travers de visualisations fumigènes. En intégrant une canne à fumée dans la maquette, il devient possible d'étudier les cheminements aérauliques (zones d'admission, d'extraction, trajectoires intérieures du flux d'air), d'identifier les pièces où la ventilation naturelle fonctionne correctement et celles où l'air ne circule pas  de manière optimale. Cette approche simple, donne des informations essentielles à la poursuite de l'étude :

• Quelles zones doivent faire l'objet d'une attention spécifique ?
• Comment position les sondes de mesure dans la maquette ?

La seconde étape consiste en des mesures de vitesses au film chaud. Une première série de mesure est réalisée au niveau des ouvrants du bâtiment. La mesure des vitesses d'admission et d'extraction permet de quantifier les débits d'air au sein des pièces et donc d'en connaître les taux de renouvellement d'air. Une deuxième série est réalisée au sein des pièces et permet de quantifier les vitesses locales de confort (en d'autres termes la vitesse de ventilation perçue par l'usager). En effet la ventilation naturelle repose sur un délicat équilibre. Si les vitesses sont trop faibles, elles ne permettent pas de favoriser l'évapotranspiration et donc n'apportent aucun confort. Si elles sont trop importantes, elles peuvent provoquer une gêne : sensation de gros courants d'air, envol de papiers, etc. En pratique on cherche ici à atteindre des vitesses de l'ordre de 0,5 à 1,5 m/s pour diminuer la température ressentie d'environ 4°C.

Optimisation du bâtiment par une approche numérique-expérimentale

Au travers du développement d'une approche novatrice mêlant méthodes expérimentales et numériques, Aérodynamique Eiffel est maintenant en mesure de caractériser finement le comportement de la ventilation naturelle dans un bâtiment.

En premier lieu, une maquette non débitante est instrumentée pour la mesure synchronisée des pressions en façades. L'avantage d'une telle maquette est qu'il n'est pas nécessaire de reproduire l'agencement intérieur ce qui diminue les temps de conception et réduit les coûts de fabrication.

Dans un second temps, une analyse des plans du bâtiment est réalisée dans le but de modéliser le réseau aéraulique du bâtiment (les différentes pièces et leurs ouvrants, les différentes communications aérauliques, etc.). Ce réseau est ensuite intégré dans un modèle de calcul thermo-aéraulique nodal (MATHIS, développé par le CSTB).

Le modèle est ensuite alimenté par différentes conditions aux limites :

• Les relevés météorologiques annuels au droit du site du projet
• Les coefficients de pression mesurés sur la maquette pour 36 incidences de vent (par pas de 10°)

Le calcul permet alors de connaître avec un bon degré de certitude les taux de renouvellement d'air au sein de chacune des pièces. Il est alors possible d'étudier les performances de ventilation naturelle pour différents scenarii comme le fonctionnement saisonnier, ou la séparation des cycles diurnes (où l'on cherche une ventilation de confort) et nocturne (où l'on cherche une ventilation de décharge thermique).

Enfin le modèle est utilisé pour tester des solutions d'optimisation du projet : modification des ouvrants pour ajuster les flux de ventilation, suppression d'ouvrants particulièrement techniques pour réduire les coûts ou encore ajout d'ouvrants stratégiques pour améliorer le fonctionnement de la ventilation naturelle. La solution finalisée peut alors être testée de nouveau en soufflerie pour accroître la fiabilité des résultats.

Actions de recherche et mesures LASER

La dernière étude a consisté en une étude aéraulique détaillée des écoulements dans une partie du bâtiment afin de fournir des résultats permettant d'améliorer les outils de simulation numérique du CSTB (STD, CFD). Cela a été réalisée au moyen d'une technique de mesure avancée : la Vélocimétrie par Images de Particules (PIV). Dans son principe, la PIV consiste à prendre avec une caméra rapide, des clichés de particules illuminées par un LASER à des instants rapprochés. Cette technique permet de mesurer le champ de vitesse dans un plan de l'écoulement.

Afin de rendre cette technologie compatible avec une mesure d'écoulement interne une maquette spécifique a été conçue et construite. Il s'agissait ici de minimiser les zones de réflexion du LASER (parasitant la mesure), tout en laissant des espaces dédiés à la diffusion de celui-ci à l'intérieur du bâtiment (pour permettre la mesure). Aérodynamique Eiffel a ainsi pu caractériser avec une haute résolution les écoulements dans certaines pièces du bâtiment et dans un puit dépressionnaire et ce pour différents modes de fonctionnement (ventilation traversante, tirage dépressionnaire, fonctionnement mixte).