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Notice Climatique

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Le Bunker de la base sous-marine Saint Nazaire Hermann Leis, Matthias Schuler 13.06.2005

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Client SONADEV, St. Nazaire Architecte LIN, Berlin

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TRANSSOLAR Energietechnik GmbH Curiestraae 2 70563 Stuttgart tel 0711/ 67976-0 fax 0711/ 67976-11 http://www.transsolar.de

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1. Objectif L'objectif principale de cette étude est d'examiner le potentiel énergétique et climatique de ce bâtiment extraordinaire. Etant donnée la grande masse des murs et de la toiture on s'intéresse notamment de quel manière on peut profiter de cette inertie immense du bâtiment. En plus on analyse comment l'eau dans quelques alvéoles influe sur le climat et si on peut profiter de cette eau dans un concept énergétique. Au-delà on étudie l'impact et le risque de l'humidité dans le bâtiment.

L'outil afin d'effectuer les études est la simulation thermique dynamique du bâtiment et les simulations numériques en dynamiques des fluides (CFD).

2. Données météorologiques / Climat extérieur Les données météorologiques sont la base des analyses suivantes et les simulations thermiques. Le Graphique 1 à Graphique 5 représentent la température, l'irradiation globale, le taux d'humidité et la rose du vent de St. Nazaire. Etant donnée l'irradiation respectable de 1266 kWh/m 2/a il est intéressante de quel manière on peut en profiter.

L'évolution de la température en une année et la température moyenne mensuelle montre un climat équilibrée sans des extrêmes, ni inférieur à —5 °C ni supérieur à 28 °C. Vue que St. Nazaire est situé au bord de l'atlantique, l'humidité relative de l'air reste toujours supérieur de 50 %.

La rose du vent montre la direction Ouest-Nord-Ouest comme direction principale du vent.

date: 13.06.05 Le Bunker de la base sous-marine — St. Nazaire Transsolar Energietechnik GmbH — Curiestrafle 2 — 70563 Stuttgart — tel.: 0711 67976-0 — fax: 0711 67976-11

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Irridiation globale: 1266 kWh/m2a Température moyenne annuelle de l'air: 11.88 °C Heures avec température de l'air extérieur > 25°C: 113 h Heures avec humidité absolue > 11.5 g/kg: 359 h

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Température moyenne mesuelle de l'air

Graphique 1: Irritation globale et température moyenne

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Graphique 2: Evolution de la température en une année

date: 13.06.05 Le Bunker de la base sous-marine — St. Nazaire Transsolar Energietechnik GmbH — CuriestraRe 2 — 70563 Stuttgart — tel.: 0711 67976-0 — fax: 0711 67976-11

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Graphique 3: Température et hygrométrie Statistique des températures de rosée Meteonorm St. Nazaire/Montoir 900

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Température de Rosée [°C] x-est la valeur supérieure

Graphique 4: Statistique des températures de rosée

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Rose des Vents: Meteonorm St. Nazaire/Montoir

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Graphique 5: Rose du vent

3. Outils numériques

3.1.

Simulations thermiques dynamiques

La simulation dynamique permet, par exemple, de simuler le comportement énergétique d'un bâtiment et de son équipement (chauffage, climatisation), en fonction de l'emplacement, des matériaux de construction utilisés, de l'architecture, du concept énergétique choisi, etc.

Les simulations seront fait avec le logiciel TRNSYS. Développé par le CSTB dans le cadre de collaborations internationales (Solar Energy Laboratorium of University of Wisconsin; Transsolar) , TRNSYS est aujourd'hui la référence au niveau mondiale dans le domaine de la simulation dynamique de bâtiments et de systèmes.

Dans une démarche HQE, ce type d'outil devient un élément incontournable pour valider le concept énergétique ainsi que pour développer et d'expérimenter des approches innovatrices (stratégies de gestion, énergies renouvelables, variantes architecturales, ...).

date: 13.06.05 Le Bunker de la base sous-marine - St. Nazaire Transsolar Energietechnik GmbH - CuriestraRe 2 - 70563 Stuttgart - tel.: 0711 67976-0 - fax: 0711 67976-11

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4.1.

Modèle CFD

La simulation CFD n'exige pas de touts les détails géométriques mais la géométrie générale avec ses particularités principales. Dans le cas du Bunker cette particularité est l'alvéole 11 qui est ouvert sur la coté de la ville et aussi sur la coté du port. Cette alvéole se relève être un grand conduit d'air qui provoque des effets du vent particulier influant sur la ventilation naturelle par l'ouverture de la Rue Publique. Par conséquent elle est intégré dans le modèle CFD (Graphique 7).

alvéole 11

tk - x Ouvertures de la Rue Publique vers l'extérieur Graphique 7: Modèle CFD pour l'étude du vent Le Graphique 8 montre la pression provoqué par le vent de direction est comme exemple. Afin d'obtenir les données pour les simulation thermique dynamique, on a effectué des simulations CFD pour les quatre directions principales du vent.

date: 13.06.05 Le Bunker de la base sous-marine — St. Nazaire Transsolar Energietechnik GmbH — Curiestrafle 2 — 70563 Stuttgart — tel.: 0711 67976-0 — fax: 0711 67976-11

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Contours of Static Pressure (pascal)

Mar 23, 2005 FLUENT 6.1 (3d, segregated, ske)

Graphique 8: Exemple: Pression à cause du vent de direction est

4.2.

Modèle thermique

Le Graphique 9 montre le modèle numérique utilisé dans les simulations thermiques dynamiques. La toiture est en béton et son épaisseur varie entre 4 à 8 m. Les murs sont aussi en béton d'une épaisseur de 1,2 m.

On a partagé le bâtiment en deux zones thermiques : une alvéole (Bunker) et la Rue Publique. Les ouvrants entre les zones et vers l'extérieur sont marqué en couleur rouge. On peut régler l'ouverture des ouvrants dans l'évolution des simulations. Afin d'analyser le potentiel climatique et énergétique, une seule alvéole dans le modèle numérique suffit. Par contre différent types de cette alvéole seront analysés •

Alvéole sans bassin d'eau

•

Alvéole avec bassin d'eau

•

Alvéole avec bassin d'eau recouvré

Afin de permettre un minimum d'éclairage naturelle, la façade donnant sur le port est de type vitrage isolant avec une porte vitrée de même type.

date: 13.06.05 Le Bunker de la base sous-marine — St. Nazaire Transsolar Energietechnik GmbH — CuriestraRe 2 — 70563 Stuttgart — tel.: 0711 67976-0 — fax: 0711 67976-11

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5. Potentiel Le potentiel climatique/ énergétique dépend de plusieurs facteurs dont la ventilation naturelle, le control de la ventilation naturelle, l'eau dans le bassin et l'activation de l'inertie du bâtiment. Dans les sous chapitres suivantes, l'influence des facteurs seront analysés en détail par les résultats des simulations thermiques dynamiques.

5.1.

Situation actuel : base ouverte

La situation actuel représente la base totalement ouverte avec ventilation naturelle permanente par les ouvrants (Graphique 10 à Graphique 12). L'évolution de la température montre qu'elle reste proche de l'extérieur sans les variations fortes entre jour et nuit. L'inertie du bâtiment fait l'effet d'un tampon thermique entre jour et nuit.

De même, l'humidité relative reste proche de celle d'extérieur. Les valeurs sont principalement entre 60 % le jour et 90 % la nuit.

date: 13.06.05 Le Bunker de la base sous-marine — St. Nazaire Transsolar Energietechnik GmbH — Curiestralle 2 — 70563 Stuttgart — tel.: 0711 67976-0 — fax: 0711 67976-11

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5.3.

Ventilation contrôlée

Afin d'atteindre un meilleur climat on a étudié l'effet de la ventilation contrôlée selon le principe : on ouvre des portes pour une ventilation naturelle aussitôt que la température extérieur est supérieur de celle d'intérieur. La ventilation naturelle est arrêtée aussitôt que la température extérieur baisse au-dessous de celle d'intérieur, afin d'éviter des déperditions thermiques par la ventilation.

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Graphique 17: Ventilation contrôlée : ventilation naturelle si Textérieur > T intérieur (en bas) sinon la base reste fermé (en haut)

5.3.1. Sans chauffage Le Graphique 18 et Graphique 19 montrent les résultat de les simulations sans une chauffage supplémentaire. On observe que la température dans l'alvéole reste supérieure à 18 °C jusqu'à fin novembre (8000 h). En même temps, l'humidité reste acceptable. Grâce au stockage de la chaleur du jour et la fermeture du bâtiment la nuit, l'humidité reste la plus part du temps entre 40 % et 80 % ce qui est presque optimale.

Si c'est une alvéole avec un bassin d'eau, l'humidité augmente aux valeurs inacceptables de plus de 85 % aussitôt que la base est fermée (hiver, printemps, automne), Graphique 20.

date: 13.06.05 Le Bunker de la base sous-marine — St. Nazaire Transsolar Energietechnik GmbH — CuriestraRe 2 — 70563 Stuttgart — tel.: 0711 67976-0 — fax: 0711 67976-11

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Graphique 18: Evolution de la température dans le bunker et de l'extérieur, ventilation contrôlée

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Graphique 19 : Evolution de l'humidité relative dans le bunker, ventilation contrôlée date: 13.06.05 Le Bunker de la base sous-marine — St. Nazaire Transsolar Energietechnik GmbH — CuriestraGe 2 — 70563 Stuttgart — tel.: 0711 67976-0 — fax: 0711 67976-11

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5.4.

Activation des masses / de l'inertie

L'inertie du bâtiment influe sur le climat dans le bunker dans une manière qu'on a vue dans l'analyse des scénarios précédents.

L'activation de l'inertie représente une possibilité simple de profiter de l'énergie solaire en combinaison avec les masses extraordinaire du bâtiment comme la toiture ou l'eau dans le bassin des alvéoles.

5.4.1. Béton L'activation du béton est possible par une couverture transparente installée dans une distance d'environ 1 à 2 m au-dessus la toiture. Un capteur solaire simple sans des éléments actifs se constitue à partir d'une telle couverture (Graphique 23). L'inertie du béton stocke l'énergie solaire et la transfère de fur à mesure dans les alvéoles.

L'évaluation de ce potentiel énergétique est faite par des simulations utilisant la même stratégie de ventilation contrôlée comme dans le chapitre 5.3. Les résultats montrent l'augmentation de la température en comparaison avec la situation sans couverture transparente. La température reste toujours entre 18 °C et 24 °C. L'humidité relative reste presque toujours dans la bande optimale de 35 % à 75 %.

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fermé en hiver

Graphique 23: Activation de l'inertie de la toiture par couverture transparente

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6. Résumé

•

L'inertie du bunker est suffisante pour équilibrer les variation de la température entre jour et nuit, même si le bâtiment reste ouvert en permanence.

•

L'inertie du bunker est suffisante pour équilibrer les variation de la température entre été et hiver à condition que le bâtiment reste fermé par rapport à une ventilation naturelle

•

Dans touts cas avec eau dans le bassin de l'alvéole, l'humidité relative augmente aux valeurs inacceptables. La solution pour atteindre une humidité est de couvrir le bassin afin d'éviter l'échange d'humidité entre eau et air de l'alvéole. Exception alvéole ouvert, dans ce cas, la ventilation naturelle est assez forte pour éviter des climats extrêmement humide.

•

La ventilation naturelle contrôlée permet d'augmenter les températures aux valeurs acceptables, notamment en été et en automne

•

Les besoins d'énergie pour chauffer à 18 °C sont environ 17 kWh/m 2/a (ventilation naturelle contrôlée)

•

L'activation thermique de la masse de la toiture par une couverture transparente permet d'augmenter le niveau du confort aux valeurs optimales (18 °C — 24 °C, 35 % - 75 % humidité relative)

•

L'activation de l'inertie de l'eau dans l'alvéole par des capteurs solaires est possible. Il est nécessaire d'optimiser la surface des capteurs et le volume de l'eau utilisé comme stockage d'énergie. Alternativement, le système pourrait fournir plusieurs alvéoles en énergie thermique.

•

Il n'est pas impensable qu'une couverture transparente de la façade sud résulte dans une amélioration du climat et aussi dans une diminution des besoins d'énergie dans l'alvéole 14

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