TAeZoSysPro : dimensionnement HVAC et calculs masse-énergie

Introduction

Que se passe-t-il dans un local technique après une perte de ventilation ? Combien de temps un équipement thermosensible peut-il continuer à fonctionner ? Quelle pression atteint un bâtiment après une fuite de vapeur ?

Ces situations nécessitent de représenter simultanément les équipements, les parois, la ventilation, les échanges thermiques et parfois les changements de phase.

Pour répondre à ces problématiques, EDF R&D et SIL3X développent TAeZoSysPro, une bibliothèque Modelica consacrée aux études thermiques et aérauliques des installations industrielles.

Elle permet de construire des modèles dynamiques pour étudier le comportement d’une installation, de son fonctionnement normal jusqu’aux situations incidentelles ou accidentelles.

Pourquoi pas une autre bibliothèque de thermique du bâtiment ?

Plusieurs bibliothèques Modelica existent déjà pour la thermique, notamment Buildings et BuildSysPro. Elles visent principalement le bâtiment tertiaire et ses systèmes énergétiques.

TAeZoSysPro se positionne en complément, sur des besoins spécifiquement industriels :

• des équipements dissipants modélisés finement (armoires électriques, transformateurs) plutôt que des charges internes forfaitaires ;
• une séparation explicite du convectif et du radiatif, via la méthode de Carroll et une température moyenne de rayonnement ;
• un air humide bi-espèces capable de gérer la disparition totale d’une espèce, situation courante lorsqu’une atmosphère initialement composée d’air est progressivement remplacée par de la vapeur ;
• des calculs masse-énergie avec évaporation, condensation et ébullition.

La bibliothèque reste compatible avec les interfaces de la Modelica Standard Library, ce qui permet de l’assembler avec des modèles existants plutôt que de repartir d’une page blanche.

Ce que contient la bibliothèque

TAeZoSysPro s’organise autour de quatre modules :

Pour la description de l’approche zonale elle-même et son intérêt sur le calcul d’un délai de grâce, nous renvoyons à notre article dimensionnement HVAC : valider les transitoires thermiques.

Local à armoires électriques — installation ZEPHYR

EDF R&D dispose d’une installation d’essai instrumentée à l’échelle 1, représentative des locaux électriques et de contrôle-commande rencontrés en centrale nucléaire. Elle permet de mesurer les champs de température dans l’air et dans les parois en conditions contrôlées et répétables.

Ce local a été modélisé avec TAeZoSysPro, puis les températures calculées ont été comparées :

• aux mesures expérimentales ;
• à un modèle CFD réalisé avec code_saturne.

Le modèle nodal restitue correctement la température moyenne de l’air, avec une tendance à la surestimation : il suppose une température homogène sur le volume et ne représente donc pas la stratification thermique. La CFD reste plus précise sur la température moyenne en régime établi.

Les deux approches sont donc complémentaires :

• le modèle système pour analyser rapidement les transitoires et multiplier les scénarios ;
• la CFD pour étudier les phénomènes locaux et tridimensionnels.

Cas d’application : évaporation, condensation et brèche vapeur

Pour les scénarios avec rejet de vapeur, les modèles ont été comparés aux essais de réponse d’enceinte du Carolinas-Virginia Tube Reactor, une référence pour l’évaluation des modèles de condensation de vapeur en conditions représentatives d’une enceinte de confinement.

TAeZoSysPro permet de simuler conjointement :

• l’évaporation du liquide ;
• le remplacement progressif de l’air par la vapeur ;
• la condensation sur les parois ;
• l’échauffement des structures ;
• l’évolution de la température, de l’humidité et de la pression.

Les modèles ont notamment été confrontés à un essai simple d’autocuiseur et aux essais de réponse d’enceinte CVTR. Les premiers résultats reproduisent les dynamiques physiques observées, avec des écarts liés notamment à la simplification de la géométrie.

Cette approche peut être utilisée pour étudier des brèches eau-vapeur, l’ébullition de piscines ou, plus largement, des rejets de masse et d’énergie dans un volume confiné.

Un outil pour comparer les solutions de conception

Une fois le modèle construit, il devient possible de comparer rapidement plusieurs configurations :

• modification d’un débit de ventilation ;
• ajout d’une redondance ou d’un refroidissement de secours ;
• changement d’un seuil de régulation ;
• modification des caractéristiques d’un équipement ;
• évolution des conditions ambiantes ;
• prise en compte d’une situation de canicule.

Les études paramétriques permettent alors d’identifier les paramètres influents et d’éviter de surdimensionner une installation sur la base d’hypothèses inutilement pénalisantes.

Limites et choix du niveau de modélisation

Une approche nodale suppose généralement une température homogène dans chaque volume représenté. Elle ne permet donc pas, seule, de décrire précisément un point chaud ou une stratification complexe.

Lorsque ces phénomènes sont déterminants, le modèle peut être :

• découpé en plusieurs zones ;
• enrichi par des corrélations adaptées ;
• complété par une étude CFD ciblée.

Le bon niveau de détail dépend toujours de la question posée. L’enjeu consiste à employer le modèle le plus simple capable de produire une justification suffisamment robuste.

Conclusion

TAeZoSysPro permet de représenter les interactions entre ventilation, équipements, parois, régulations et changements de phase au sein d’un même modèle dynamique.

Cette approche apporte des réponses quantifiées à des questions directement liées à la conception et à la sûreté :

• la température maximale sera-t-elle respectée ?
• pendant combien de temps ?
• quelles hypothèses pilotent le résultat ?
• quelles modifications permettent de retrouver des marges ?

Elle constitue ainsi un outil d’aide à la décision pour la conception, la justification et l’optimisation des installations industrielles et nucléaires.

Pour aller plus loin

Cet article est une adaptation simplifiée du papier présenté à la 16th International Modelica & FMI Conference en septembre 2025 :

TAeZoSysPro: A Modelica Library for Thermal Aeraulic and Buildings Thermodynamics Calculations, Pascal Borel, Rafik Moulouel, Félix Marsollier et Antoine Chupin — DOI 10.3384/ecp218293.

Utilisation de TAeZo pour le nucléaire