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THESE DE DOCTORAT spécialité: ENERGETIQUE "LA CLIMATISATION NATURELLE: MODELISA

THESE DE DOCTORAT spécialité: ENERGETIQUE "LA CLIMATISATION NATURELLE: MODELISATION DES OBJETS ARCHITECTURAUX, AIDE A LA CONCEPTION EN CLIMAT TROPICAL" présentée par Cláudia BARROSO-KRAUSE pour obtenir le titre de Docteur de l'Ecole des Mines de Paris, le 9 Novembre 1995 devant le jury composé de: Messieurs Dominique MARCHIO Président Oscar CORBELLA Rapporteur Eduardo DE OLIVEIRA FERNANDES Rapporteur Pierre LAVIGNE Rapporteur Paul BREJON Examinateur Jérôme ADNOT Examinateur ii Remerciements Ce travail a été réalisé dans le cadre du programme de coopération franco-brésilien CAPES-COFECUB. Sa réussite n'aurait pas y lieu sans le soutien actif de l'ADEME et du Centre d'Energétique de l'Ecole des Mines de Paris. De nombreuses personnes m'ont aidé, en France et au Brésil, chacune à sa manière, à mener ce travail à bien. Merci à Jérôme Adnot, pour ce que je peux résumer, comme un soutien amical, et incessant à la bonne réalisation de cette thèse; je souhaiterais que tous les doctorants puissent jouir d'un tel rapport avec leur responsable scientifique; Merci à Denis Clodic, pour sa patience dans la gestion d'une situation administrative délicate, qui a permis le bon déroulement de cette recherche; Merci à Messieurs Eduardo de Oliveira Fernandes, Oscar Corbella et Pierre Lavigne pour l'intérêt qu'ils m'ont démontré en acceptant de participer au jury; à Dominique Marchio, pour m'avoir si bien reçu à la salle de l'Or, et aussi pour avoir accepté d'assurer la fonction de président du jury; Merci à Paul Brejon pour l'appui important à la bonne réalisation des travaux et pour la participation au jury; Merci à Philippe Calvet, pour son aide patiente à cette architecte impatiente avec les ordinateurs; Merci aussi à aux collègues du centre, surtout à Mme Caron, Lionel Cauret, Marc Cherrey, Ruxandra Dumitru, José Kaelher, Kevin Murphy, Bernd Polster, Anne Marie Pougin, Claire Rochas, et Sorin Stan, pour l'accueil chaleureux et le partage des heures difficiles; Merci à Pierre Fernandez, qui, avec Pierre Lavigne et Paul Brejon, m'a invité à venir en France pour effectuer les travaux qui ont aboutit à cette thèse et m'a amicalement toujours soutenu; Merci, encore en France, à la famille Poppe, pour m'avoir adopté, son soutien a été capital pour que cette thèse soit aujourd'hui bouclée; Merci, au Brésil, à l'équipe de mestrado de la FAU-UFRJ, surtout à Liana de Ranieri Pereira et Aldo Gonçalves Moura pour l'aide et la stimulation apportés tout au long de mon entreprise; Merci à Anna Lucia Romano Fragoso Pires; à Pedro Campello, aux membres du GEE Rita de Cássia pour l'appui solide au cours de cette dernière année; et très particulièrement, Merci à Helena, à Carlos, à Gilson, à Philipe et à Luisa, mes compagnons dans l'entreprise qui a abouti à la présentation de cette thèse, pour l'encouragement et l'amour constamment présents. iii Résumé des résultats Dans certaines régions où le climat ne met pas en cause l'intégrité physique de l'individu, même s'il est responsable de son inconfort, il devient très difficile, dans l'état actuel des choses, d'intégrer les méthodes d'analyse thermique des bâtiments au processus millénaire de conception architecturale. Et s'il est vrai que l'agression thermique en zone tropicale humide est très importante, dépassant souvent les limites des conditions de confort jour et nuit...il est d'autant plus vrai qu'un projet architectural, même s'il est adapté au climat dans lequel il s'insère, peut être techniquement mauvais, s'il ne prend pas en compte les autres objectifs à atteindre Pour éviter cela, la recherche s'est orientée vers la représentation des modèles thermiques concernés par la climatisation naturelle dans le langage architectural en phase initiale de conception. Elle comporte une enquête sur les principes de la conception architecturale d'une part, du confort d'été d'autre part. On propose comme résultat de ces recherches un concept de "tableau de bord" repérant les objets architecturaux par rapport à l'objectif de confort final attendu. Il rassemble les choix les plus fréquents dans une certaine culture et les relie à des modèles réduits de performance thermique. Il permet l'inclusion de nouveaux objets. On offre ainsi un rapport entre les choix architecturaux en phase d'esquisse et la plage des conséquences thermiques et aérauliques. La présentation retenue offre, à coté de chaque icône représentant un choix architectural, un chiffre correspondant à son apport quantitatif sur le confort global attendu. En suivant chronologiquement la conception architecturale sur ce "tableau de bord" thermique, l'utilisateur obtiendra aussi souvent qu'il le voudra une note totale, somme de celles découlant de chaque choix effectué, qui correspondra à une prévision de la qualité thermique de son bâtiment. La vérification faite avec le tableau de bord permet aussi d'éviter des modifications importantes dans le projet après passage éventuel par des logiciels de simulation. Ceci allégera également le rapport entre les domaines concernés (sol et drainage, éclairagisme, acoustique, structure, plomberie, circulation, etc.) La méthode d'analyse utilisée dans le tableau de bord permet à chaque ensemble de procédures de climatisation passive d'être représenté en phase d'esquisse, par des objets architecturaux. On étudie les phénomènes physiques, on retient ceux qui sont importants pour les décisions prises, et ensuite on établit les modèles correspondants. Il s'agit, en réalité, de réunir et d'interpréter des plages de performances non par groupe physique, mais par choix architectural. Pour la comparaison des résultats des icônes présentés dans le tableau de bord, une échelle d'évaluation de leurs influences spécifiques a été créée, basée sur une décomposition des degrés-heures de surchauffe. La maquette présentée se rapporte à un climat, le climat tropical humide, à une saison, l'été, à un type d'occupation, nocturne et à une option, la non-climatisation. Mais la méthode peut aussi aider à la création de tableaux pour des ambiances climatisées (l'echelle s'exprime alors en kWh de consommation) et bien évidemment à d'autres profils d'occupation, saison et climat, tout comme à des approfondissements d'un aspect constructif du bâti(ex. les toitures). Une étude détaillée a été menée sur un composant mal connu: le végétal intégré à l'enveloppe du bâtiment. iv Executive summary There are regions where the environment and climatic conditions do not threat physical integrity of individuous. Nevertheless, they may affect their comfort. Despite of that, it is not easy a task of changing behaviour to take into account building thermal response analyses, in millenary process of architectural conception. The situation may became still more relevant when tropical humid region are concerned. An architectural design comprising local cultural aspects and construction techniques would no longer suffice. This is the framework upon which this research were oriented for, aimed at representing thermal models related to natural ventilation conditions at the first steps of the architectural design. The chosen methodology has to face either architectural principles and summer comfort. The results are shown through a "tableau de bord" (control display) establishing relationships between architectural objects and comfort related objective functions. Building elements are compared following their thermal behaviour. Creation or inclusion of new elements are allowed. So are the creation of hierarchies that should guide the conception phase. Several icons were thus created defining architectural elements (say architectural choices), each of them being associated to indexes representing their thermal influence. Summing up different elements, different choices locally available, the project can be attributed a comfort grade, which represents the quality of the design on a thermal comfort stand point. By using the "tableau de bord", it would be possible to some extent to avoid or at least better use thermal simulation software. Future research may add the " tableau de bord" to those softwares. By the same token, the relationships with others areas (lighting, acoustics, civil works,...) are thereby made easier. The analytical methods used at the construction of the "tableau de bord" allow each set of relevant physical phenomena to be represented. One is to study the phenomena involved, split them all into objects (or sets of objects) representative of the architectural choices, by this way establishing hierarchies. Ranges of thermal performance are then put together as a function of the different architectural choices. With the aim of comparing different choices, each icon is associated to an evaluation scale based on a decomposition of the heating grade- hour. The research works resulted in a prototype, so far representing a tropical humid region, summer time, a night occupation typology with no mechanical climatisation. However, other "tableau de bord" may be adapted, for instance including mechanical climatisation (in such case, the evaluation scale could be presented in terms of energy consummation - kWh). Deeper analyses of specific building elements would be possible as well. At this regard, the research works have performed the analysis of an almost unknown building element, i.e. the vegetation as a shelter cover. On icon was created to represent the vegetation and its behaviour evaluated as a passive element. v La Climatisation Naturelle: Modélisation des Objets Architecturaux, Aide à la Conception en Climat Tropical SOMMAIRE Page Avant-propos 10 Chapitre 1: La conception architecturale, le confort d'été et les bases de la méthode du tableau de bord. 1.1 Les phases de la conception architecturale: les connaissances, les exigences et les contraintes 13 1.1.1 Le pronostic et le diagnostic. 14 1.1.2 La phase l'esquisse 15 uploads/Geographie/claudia-barroso-krause.pdf