Les critères d’ambiance intérieure Ambiance thermique





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date de publication10.10.2019
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Les critères d’ambiance intérieure




Ambiance thermique


Afin d’évaluer le confort thermique d’une ambiance obtenue lors d’une simulation, il apparaît que la seule connaissance de la température moyenne de l’air la pièce n’est pas suffisante. La température radiante (murs, fenêtres), la température du sol, la vitesse de l’air, l’humidité ainsi que l’homogénéité dans la pièce de ces différents paramètres interviennent au niveau du ressenti thermique et donc de l’évaluation de l’ambiance.
D’après l’ASHRAE [ASH 89], la température ressentie par un individu dans une ambiance est caractérisée par les échanges de chaleur sèche par convection et rayonnement entre son corps et cette ambiance. Elle est donnée par la température opérative, qui s’exprime par :


-T: température de l’air (K)

-T: température radiante de la pièce (K)

-h: coefficient de transfert de chaleur linéarisé par rayonnement [W/K] ;

-h: coefficient de transfert de chaleur par convection [W/K] ;
Si la vitesse de l’air Va est supérieure à 0,1 m/s, alors :

Gagge [GAG 71] introduit dans ses travaux la notion de température effective standard (SET). Elle traduit la sensation de chaleur (ou niveau de confort) en fonction de la température et de l’humidité. Elle est caractérisée, sur un diagramme de l’air humide, par une droite formée par des points représentant le couple « température-humidité ».


L’intersection de chaque droite avec la courbe d’humidité relative 50% donne, par son abscisse, la valeur de la SET qui est considérée comme un indice de confort. Par exemple, une ambiance à 35°C et 20% d’humidité relative provoque la même sensation de chaleur qu’une une ambiance à 30.5°C et 70% d’humidité relative.
Fanger [FAN70] a proposé d’exprimer la sensation des occupants à partir de leur bilan énergétique
L = métabolisme thermique -  émissions du corps
Si la charge L est nulle, le sujet est supposé éprouver une sensation de bien-être optimum. Si L>0, le sujet à une sensation de chaud et si L<0 il a une sensation de froid.
Pour modéliser ce phénomène Fanger a introduit l’indice PMV (« Predicted Mean Vote », ou vote moyen prévisible), qui est une corrélation entre la charge thermique de l’organisme et la sensation thermique moyenne prévue. Pour ce faire plus de 1300 sujets ont voté afin d'exprimer leurs sensations thermiques dans différentes ambiances.

Cet indice fait l’objet de la norme internationale ISO 7730 [OIN 95]


-M : Métabolisme thermique de l’individu (W.m-2)

-L : Bilan énergétique du corps humain (W)
Le PPD (« Predicted Percentage of Disatisfied », ou pourcentage prévisible d’insatisfaits) établit une prévision du pourcentage de personnes insatisfaites de l’ambiance thermique en fonction du PMV
Cette méthode de représentation de confort thermique ne tient cependant pas compte des paramètres locaux susceptibles de créer un inconfort thermique (courants d’air, gradient vertical et horizontal de température, rayonnement).
Indices locaux de confort thermique :

Fanger ([FAN96]) introduit des indices d’inconfort local, représentés par le pourcentage d’insatisfaction lié à un type de gêne :

-La vitesse d’air admissible en fonction de la température du local et de l’intensité turbulente, pour trois pourcentages d’insatisfaits


Le pourcentage de personnes insatisfaites en fonction de la différence de température entre la tête et les pieds (gradient vertical de température)

L’asymétrie de rayonnement, et en particulier l’inconfort lié à un plafond chaud ou froid et à un mur chaud ou froid


L’inconfort lié à la température du sol


Le profil UCRES ([REG88]), mis au point par le CSTB, qualifie l’ambiance thermique d’une pièce au centre de laquelle le confort est réalisé, et qui correspondrait donc à un PMV nul. Le profil UCRES mesure donc les inconforts thermiques liés aux paramètres locaux.

Pour chaque critère, 3 classes de confort (0, 1, 2) sont définies sur un réseau de points balayant la totalité du volume de la pièce. Pour chaque critère, on prend

-f: proportion de points en classe 1

-f: proportion de points en classe 2
On établit alors pour chaque critère une note globale N :


Les conditions de confort sont considérées satisfaites si :

- Aucune note n’est supérieure à 2

  • Le total des notes est inférieur à 5




Classe de gêne

0

Confort

1

Léger inconfort

2

Inconfort net

Uniformité horizontale (en valeur absolue)


<1,5°C


1,5 à 2,5°C


>2,5°C


Courant d’air*

Niveau cheville

Reste du corps

Niveau cheville

Reste du corps

Niveau cheville

Reste du corps

-3,3 à 1,4°C

-1 à 1,4°C

-4,3 à -3,3°C ou 1,4 à 2,1°C

-1,7 à -1°C ou 1,4 à 2,1°C

<-4,3°C ou > 2,1°C

<-1,7°C ou >2,1°C

Ecart des températures radiantes (avant/arrière)

0 à -8°C

-8 à -12°C

<-12°C

Ecart de température tête/pieds

0 à 3°C

3 à 5°C

> 5°C

Température du sol

17 à 26°C

15 à 17°C ou 26 à 28°C

<15°C ou > 28°C

*EDT =Ti-Tm-7,66(V-0,15) température effective de courant d’air

Avec Ti la température au point i

Tm la température moyenne

Vi (m/s) la vitesse de l’air au point i




Nilsson [NIL99] propose d’utiliser la température équivalente (Teq) pour agréger plusieurs paramètres d’ambiance thermique.
Définition de la température équivalente globale :

La température équivalente est la température uniforme d’une enceinte fictive homogène en air calme, dans laquelle une personne va échanger la même chaleur sensible par radiation et convection que dans une ambiance (non uniforme) réelle.
Définition de la température équivalente locale :

C’est la température d’une enceinte fictive homogène avec une température d’air calme égale aux température de parois, dans laquelle une ou plusieurs zones sélectionnées d’un mannequin chauffant muni de capteurs échangeraient la même chaleur sensible par radiation et convection que dans une ambiance (non uniforme) réelle.
(1)


Dans le cas de l’homme nu (le mieux maîtrisé), on a


Les conditions de thermoneutralité (conditions de confort) ont lieu pour
Teq = 28°C

Soit


Dans un environnement non homogène, la température équivalente est donnée par

(2)
ts et hcs étant fixées par les conditions standard, la température équivalente ne dépend donc que des variations de flux échangés entre l’homme et l’ambiance, fictive ou réelle. La température équivalente globale calculée en ambiance non homogène permet de situer la situation de l’être humain par rapport à la thermoneutralité.
Calcul de la Teq locale :

Le calcul de la température équivalente locale se fait en reprenant les relations (1) et (2) avec les paramètres locaux d’ambiance correspondant à un élément de surface de peau défini.
Une équation empirique donnant une bonne approximation de la température équivalente locale est :
pour vair < 0,1m/s
pour vair > 0,1m/s
Ces équations ne s’appliquent que pour des conditions sédentaires (M=70W/m2)
Le profil UCRES est intéressant pour l’évaluation du confort, mais la rigidité du classement s’accommode mal des incertitudes inhérentes à une simulation CFD, et se prête difficilement à une démarche d’optimisation.

De plus, la démarche CFD envisagée ne permet de simuler que la température de l’air et sa vitesse, à l’exclusion de paramètres comme les températures de parois (données en conditions aux limites) ou l’humidité ambiante (à moins de définir un scénario d’émission d’humidité, ce qui ne sera pas fait dans le cadre de ce travail).

De plus, nous supposons le chauffage capable de maintenir dans la pièce un PMV moyen de 0 dans le local (l’évaluation et l’optimisation portant sur le système de ventilation).

Qualité de l’air



Allard et al. [ALL98] cite deux façons d’appréhender la qualité de l’air :

-la qualité physico-chimique de l’air dont l’évaluation est liée à la santé des occupants

-la qualité olfactive relative à une notion de confort
L’évaluation la plus naturelle dans le cadre de simulations numériques est celle de la qualité physico-chimique de l’air, dont dépend de toutes façons la qualité olfactive.

La difficulté de l’évaluation de la qualité de l’air tient à la multiplicité des polluants potentiels à prendre en compte.
Collard [COL01] présente différents polluants classés en fonction de leur mode d’émission


SOURCES EXTERIEURES

POLLUANTS

Polluants atmosphériques
Pollution dégagée par les engins à moteur
Sol, eau

CO , SO2, NO, NO2, O3, particules d’hydrocarbures

CO , SO2, NO, Pb, particules d’hydrocarbures

Radon, thoron et descendants

SOURCES INTERIEURES




Bâtiments, matériaux de construction

-Béton, pierre…

-Panneaux de particules, contreplaqué

-Isolant

-Matériaux coupe-feu

-Peinture, colle, moquette, tentures

Equipements, aménagements

-Meubles

-Eau sanitaire

Occupation et activité par les occupants des locaux

-Métabolisme humain et animal
-Fumée de cigarette


Radon, thoron et descendants

Formaldéhyde

Formaldéhyde, fibres

Amiante (plus autorisée)

Matières organiques, HCHO
Matières organiques, HCHO, Radon

Radon

H2O, CO2, NH3, odeurs organiques, micro-organismes

CO, NO2, BaP, particules, composés organiques, odeurs


L’OMS [WHO2000] donne des valeurs seuils à partir desquelles un polluant commence à avoir des effets sur la santé.


Polluant

Concentration fréquemment observée (µg/m3)

Valeur maximale recommandée (µg/m3)

Temps d’exposition

Concentration à partir de laquelle un effet sur la santé est observable (µg/m3)

CO

500-7000

100 000

60 000

30 000

10 000

15 min

30 min

1 heure

8 heures

Non applicable

Plomb

0.01-2.0

0.5

1 an

Non applicable

NO2

10-150

200

40

1 heure

1 an

365-565

O3

10-100

120

8 heures

Non applicable

SO2

5-400

500

125

50

10 min

24 heures

1 an

1000

250

100




EU Air quality guidelines

Substances

Reference period

Limit value (to be met by 1.4.83)

Sulphur dioxide

one year
(median daily values)

120 µg/m3 if smoke less than 40 µg/m3

80 µg/m3 if smoke more than 40 µg/m3

 

winter
(median daily values)

180 µg/m3 if smoke less than 60 µg/m3

130 µg/m3 if smoke more than 60 µg/m3

 

year, peak
(98 percentile of daily values)

350 µg/m3 if smoke less than 150 µg/m3

250 µg/m3 if smoke more than 150 µg/m3

Suspended particulate matter (SPM)

one year (median of daily values)

80 µg/m3

 

winter
(median daily values)

130 µg/m3

 

year, peak
(98 percentile of daily values)

250 µg/m3

 

 

Guides values

Black smoke

one year (median of daily values)

40-60 µg/m3

 

24 hours mean

100-150 µg/m3

Sulphur dioxide

24 hours mean

100-150 µg/m3

 

one year mean

40-60 µg/m3

 

Reference period

Limit value (to be met by 1.7.87)

Nitrogene dioxide:
EC Directive 85/203/EEC

1 year
(98 percentile of 1-hour means)

200 µg/m3

 

 

Guides values

 

1 year
(50 percentile of 1-hour means)

50 µg/m3

 

1 year
(98 percentile of 1-hour means)

135 µg/m3

 

Reference period

Limit value (to be met by 9.12.87)

Lead in the air:
EC Directive 82/884/EEC

annual mean

2 µg/m3

Ozone Thresholds:
EC Directive 92/72/EEC

1 year
(98 percentile of 1-hour means)

200 µg/m3



L’OMS donne une liste très complète des polluants, classés par types, avec leurs effets avérés ou soupçonnés sur la santé humaine, leur mode d’émission, les seuils de détection olfactive et de toxicité (en fonction également de la durée d’exposition).
Ces polluants peuvent être d’origine externe, et donc admis dans le local par l’intermédiaire du système de ventilation et/ou des infiltrations d’air, ou d’origine interne, avec une grande variété de sources possibles (occupants, revêtements de murs et de sols, appareils de cuisson, produits ménagers…), ce qui impose de nombreuses contraintes au système de ventilation pour une bonne dispersion de ces polluants.
Les indices de qualité d’air :

Plusieurs auteurs on proposé des indices globaux d’évaluation agrégeant un certain nombre de polluants, de la même famille ou non. Allard et al. [ALL98] et Collard [COL01] soulignent la difficulté d’une telle démarche d’agrégation, les données scientifiques manquant pour prédire l’impact sur la santé d’un mélange de polluants quelconque.

En première approximation, Molhave [MOL95] suppose que ces effets s’additionnent simplement et propose pour un ensemble de polluants déterminés l’indice IQAI défini comme suit :



Où Ci est la concentration de chaque composant du mélange et Clim,i , la limite d’exposition sanitaire autorisée ou recommandée.

La qualité de l’air est considérée comme acceptable si IQAI < 1
L’indice ILHVP, mis au point et utilisé par le Laboratoire d’Hygiène de la Ville de Paris [CRE93], est basé sur le principe de la compensation entre les effets. Il est apprécié à l’aide de 3 marqueurs, la concentration en monoxyde de carbone, en dioxyde de carbone (en mg.m-3) et le dénombrement total bactérien (DTB) exprimé en m-3 :


Si ILHVP prend une valeur inférieure à 3, la performance du système de ventilation relativement aux sources de polluants du local est considérée comme bonne. Il est en revanche considéré comme mal adapté si ILHVP > 3. Cet indice ne prend pas en compte les temps d’exposition aux polluants ; il nécessite un dénombrements visuel des colonies bactériennes, ce qui est long et onéreux.
L’indice IBILGA, développé par Cohas [COH94], est utilisé dans le code numérique BILGA. Ce code, développé depuis 1980 par le CEBTP et la FNB, est un modèle de simulation hygrothermique et aéraulique multizone. L’indice IBILGA définit la qualité de l’air de façon semi-empirique. Il est construit à partir de concentrations moyennes pondérées dans le temps (Cmoy en mg.m-3)


Si

Si



On interprète l’indice de la façon suivante :

Pour IBILGA négatif, la qualité de l’air est excellente ; entre 0 et 1, on a un risque sanitaire limité, et un risque inacceptable à partir de 1.

Il est à noter que seul le polluant ayant la concentration la plus forte par rapport à ses valeurs limites est pris en compte dans le calcul de l’indice.
Nous rencontrons un problème commun pour l’ensemble de ces indices : il s’agit d’une mesure absolue de concentrations dans une situation donnée (ou au cours du temps). Or, à partir de simulations numériques, la concentration des différents polluants dépend de leur scénario d’émission. Nous nous proposons donc de construire un indice prenant en compte les concentrations en polluants pondérées par un taux d’émission. Cet indice se déclinera en deux versions : un indice instantané basé sur les concentrations à un instant donné, et un indice intégré prenant en compte l’exposition à un polluant sur une période de référence donnée.

Les polluants simulés auront des modes d’émission reprenant les modes les plus fréquents des polluants rencontrés : polluants extérieurs, polluants émis par les matériaux, polluants liés à l’activité humaine.

Le confort acoustique



La ventilation a un impact direct sur l’ambiance acoustique. Deux phénomènes de nuisance acoustique peuvent être liés à la ventilation :

-Bruit propre des équipements de ventilation (ventilateurs….)

-Interphonie interne et externe au logement due aux terminaux destinés aux passages de l’air.
Le CETIAT étudie dans une note technique le bruit des ventilateurs [GUE02], et en particulier le bruit à large bande.

Bengsson et al [BEN03] évalue certains de ces bruits de ventilation à des niveaux acoustiques de 45dB et étudies leurs effets sur l’attention et la fatigue dans un environnement de travail. Ces effets sont particulièrement notables dans une gamme de basses fréquences (20-200 Hz), fréquemment émises par les ventilateurs.

Cette thèse ne portant pas sur la conception des équipements de ventilation, nous ne nous intéresserons pas à la réduction de ces bruits propres.
La transmission des bruits extérieurs par les entrées d’air, particulièrement en environnement urbain, a fait l’objet de nombreuses études. En particulier, celle de De Salis et al [SAL02] étudie l’influence des orifices de ventilation naturelle. Il cite des techniques de réduction sonore par différents types de résonateurs (Helmholtz, quart d’onde) et de pièges à son. Ce type de technique ne fait pas partie de notre étude. Il étudie également l’influence de la taille des orifices. Il ressort que, pour un passage d’air de conception et géométrie équivalentes, une diminution par 2 de la surface d’ouverture augmente de 3 dBA l’isolation acoustique au travers de cette ouverture. C’est cette simple formule que nous appliquerons pour chaque ouverture (entrée et sortie d’air).
Les vitesses d’air, de l’ordre de 10-1 m/s dans l’ambiance et de au maximum 2 m/s au niveau des entrées d’air, et les températures, voisines de la température ambiante, n’ont pas d’influence sur la propagation du son dans les gammes de fréquence qui nous intéressent.

Les classifications combinées (évaluation multicritère)



Collard [COL01] fait le point sur les différentes méthodes d’évaluation multicritères applicables aux environnements intérieurs.

Avant l’apparition de l’analyse multicritère, la méthode couramment employée était l’optimisation d’un critère unique obtenu par agrégation. Cette méthode, si elle a l’avantage de la simplicité mathématique, pose certains problèmes :

Les différents critères sont en général non homogènes entre eux aux niveaux de leurs dimensions, une fonction les agrégeant a dont forcément un côté arbitraire. Clausen et al. [CLA93] écrit une relation permettant de passer de la température opérative (confort thermique) au niveau acoustique (confort acoustique), mais la validité d’une telle démarche n’est absolument pas avérée.

De plus, l’agrégation des critères fait perdre beaucoup de finesse et de transparence à l’information. Un critère atteignant individuellement un niveau inacceptable risque d’être masqué par son agrégation avec les autres, comme le souligne B. Mareshal [MAR00].
La mise au point de méthodes d’évaluation multicritère a permis de développer les concepts de préférence forte ou faible, ou d’indifférence. B. Roy en a posé les bases avec la méthode Electre [ROY 68].

Les étapes nécessaires à la résolution multicritère sont [ROY85] :

  1. L’identification des actions possibles

  2. Le choix des critères de décision

  3. L’évaluation des performances en fonction de chacun des critères

  4. L’agrégation de ces évaluations pour obtenir un classement global.


D’après Roy [ROY85] « une action a est la représentation d’une éventuelle contribution à la décision globale, susceptible, eu égard à l’état d’avancement du processus de décision, d’être envisagée de façon autonome et de servir de point d’application à l’aide à la décision ». Dans le cas qui nous intéresse, les actions seront constituées par les différents paramètres de variations utilisés dans les plans d’expérience.

propose une méthode d’évaluation multicritère des ambiances intérieures. Son objectif est, pour plusieurs ambiances données, d’établir un classement par ordre de préférence. Pour cela il utilise une matrice de décision sur laquelle il reporte les notes d’évaluation pour chaque critère et toutes les ambiances à évaluer. Ces critères correspondent à des pourcentages liés objectifs de performance selon un cahier des charges, vérifiés ou non sur un panel de points de mesure dans les différentes ambiances.

Insertion matrice collard



Roulet et al [ROU03] expose une méthode d’évaluation multicritère des ambiances dans l’esprit d’Electre IV [ROY 93], appelée Hermione. Il attribue à chaque critère un seuil favorable (vert), incertain (jaune), défavorable (rouge) et veto (noir). Des zones floues peuvent être définies pour chaque couleur en pondérant l’évaluation d’un signe + ou -. Il définit un certain nombre de critères mais cette méthode est adaptable à toute combinaison de critères auxquels on attribue des seuils. En fonction des proportions de critères dans chaque couleur, l’ambiance globale est elle même classée dans une catégorie, avec pour chaque couleur une pondération + (favorable), 0 (neutre) ou – (défavorable) nuançant la couleur.





Evaluation

La loi est valable tant que l’évaluation n’est pas dans une classe supérieure

∧= et, ∨=ou


Vert

V+

V=100%



V≥4/3 λ∧R=0∧N=0

V-

4/3 λ>V≥ λ∧R=0∧N=0


Jaune

J+

2/3 λ



(V< 2/3λ∧R=0∧N=0)∨ (V≥4/3 λ∧R≤2/3λ∧N=0)

J-

(R≤1/3λ∧N=0)∨ (V<4/3 λ∧R≤2/3λ∧N=0)


Rouge

R+

R≤2/3λ∧N=0



R>2/3λ∧N=0

R-

R=100%∨N≤2/3λ

Noir

N

N>2/3λ


Dans le tableau, V est le pourcentage de critères jugés en vert, J en jaune, R en rouge et N en noir. λ est un paramètre contrôlant la sélectivité de la méthode ; λ=0,5 correspond aux lois habituellement employées.
Cette classification permet de classer facilement les ambiances selon une méthode de logique floue. Elle présente les avantages d’être adaptable à tous les jeux de critères, de permettre une évaluation multicritère « à la main », en ayant un panel d’évaluations assez détaillé (10 niveaux différents), permettant ainsi de classer les ambiances obtenues assez finement. De plus, comme il est de règle en analyse multicritère, un désavantage majeur au niveau d’un critère ne peut être compensé par un ensemble d’avantages mineurs.

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