Dimensionnement HVAC : valider les transitoires thermiques avec TAeZoSysPro

Introduction

Dans une salle électrique, un local de contrôle ou un bâtiment industriel, modéliser les échanges thermiques en considérant que toutes les charges sont dissipées dans l'air est une approche prudente, mais qui peut entraîner un surdimensionnement des équipements de ventilation.

Lors d’une perte de ventilation, d’une variation de puissance ou d’un épisode climatique extérieur, il est important de valoriser l'inertie thermique des équipements, des parois et des structures. Ces composants échangent, réchauffent ou refroidissent l'air ambiant à travers des phénomènes de convection naturelle ou forcée, ce qui a un impact non négligeable sur l'évolution de la température de la salle au cours du temps.

Pour analyser ces phénomènes, SIL3X a développé TAeZoSysPro, une bibliothèque en langage Modelica destinée aux calculs thermo-aérauliques transitoires par approche zonale.

Limites d'un bilan thermique « classique »

Une approche simplifiée représente souvent un local par une température d’air unique, des parois à température imposée et une puissance dissipée constante. Elle est utile pour une estimation rapide, mais des phénomènes déterminants ne sont pas considérés :

• l’inertie thermique du béton, des équipements et des structures ;
• la propagation progressive de la chaleur dans une paroi ;
• les échanges par convection naturelle entre l’air et les surfaces ;
• les échanges radiatifs entre une armoire chaude, les murs, le sol et le plafond.

Dans un local contenant du matériel sensible, ces simplifications peuvent conduire à sous-estimer ou surestimer le délai de grâce avant l’atteinte d’un seuil de température lors d'une perte de ventilation par exemple.

Une approche zonale pensée pour les études transitoires

TAeZoSysPro repose sur une modélisation zonale 0D–1D : le local est décrit par des volumes thermiques et des liaisons physiques entre ces volumes.

Cette approche permet de conserver les phénomènes essentiels tout en restant plus rapide à construire et à simuler qu’un modèle CFD complet :

• volumes d’air et débits de ventilation ;
• sources de chaleur internes ;
• conduction dans les parois simples ou multicouches ;
• stockage d’énergie dans les masses solides ;
• convection naturelle ou forcée ;
• rayonnement entre les surfaces ;
• ventilation représentée par son bilan enthalpique.

La bibliothèque est écrite en Modelica, un langage de modélisation physique acausal. Les composants peuvent ainsi être assemblés comme les éléments d’un système réel : salle, murs, armoire, ventilation, échangeurs et masses thermiques.

Représenter l’inertie des bâtiments et des équipements

Un mur en béton, une armoire métallique ou un massif ne réagit pas instantanément à une variation de température. Leur capacité thermique dépend notamment de leur masse et de leur chaleur spécifique.

TAeZoSysPro représente ce stockage d’énergie et, pour les parois, peut discrétiser l’épaisseur afin de suivre la diffusion progressive de la chaleur. On ne se limite donc pas à une résistance thermique globale : le modèle restitue également l’effet retardateur des masses.

C’est particulièrement utile pour répondre à des questions telles que :

• combien de temps un local reste-t-il sous la température admissible après l’arrêt d’une ventilation ?
• quel est l’effet réel d’une paroi lourde ou d’une isolation ajoutée ?
• à quel rythme un équipement chaud influence-t-il la température ambiante ?
• une température de surface peut-elle devenir pénalisante avant la température moyenne de l’air ?

Convection et rayonnement : deux échanges complémentaires

Pour conserver une approche zonale, les échanges radiatifs sont calculés via une température moyenne radiante et des facteurs de forme. Cette simplification est adaptée aux géométries représentables par des surfaces équivalentes ; elle doit être paramétrée avec discernement pour des configurations fortement occultées ou très complexes.

Un outil conçu pour un contexte nucléaire

TAeZoSysPro est accompagnée d’une note théorique décrivant les équations, hypothèses et corrélations employées. Une note de qualification structure la vérification et la validation de la bibliothèque selon la démarche du guide ASNR n-°28.

Cette traçabilité est essentielle lorsque les résultats de calcul doivent être compris, justifiés et replacés dans leur domaine d’utilisation. Elle ne dispense pas de définir, pour chaque étude, les hypothèses, les paramètres influents et le périmètre d’emploi du modèle.

Exemple

Cas d'étude :

• salle de 6 × 4 × 3 m ;
• murs et dalle béton de 20 cm d'épaisseur ;
• une armoire dissipant 4 kW ;
• température extérieure imposée ;
• Ventilation à l'arrêt au bout de 60 s.

Un premier cas est réalisé, proche des études de dimensionnements classiques avec toute la charge thermique dissipée directement dans l'air, et des échanges avec les murs modélisés par une température fixe et un coefficient d'échange fixe (ici 3 W/m²/K)

Un modèle système est confronté à ce premier modèle, avec prise en compte des échanges radiatifs, du stockage des murs, de coefficients d'échange variables et une modélisation plus complète du dissipateur thermique.

La température de la pièce est ensuite calculée sur la durée du transitoire pour les deux modèles. La courbe bleu représente le modèle simple, qui est l'approche la plus classique de dimensionnement HVAC, et la courbe orange le modèle système, prenant en compte les interactions entres les différents composants de la pièce.

Les deux modèles sont initialisés en régime permanent avec la ventilation fonctionnelle.

Dans le cas permanent, on constate une différence de 2 °C en faveur du modèle plus détaillé. Cette différence est principalement liée au stockage dans les masses métalliques et les murs.

Afin de pouvoir comparer la partie transitoire, les modèles sont réinitialisés à 37 °C avec une perte de ventilation dès le début de la simulation. Il est possible de constater un écart d'une minute pour le délai de grâce avant qu'une température de 45 °C soit atteinte. Cet écart peut s'expliquer par les coefficients d'échanges variables aux parois, ainsi que par la modélisation des murs.

Un gain de plus de 10% sur le délai de grâce calculé pour atteindre 318 K est observable entre les deux modèles. 

Conclusion

Dans des domaines d'application à forts enjeux, un seul degré d'écart lors d'un transitoire accidentel peut remettre en cause l'ensemble du dimensionnement d'un système de ventilation. Dans le pire des cas, cela peut entraîner des modifications matérielles coûteuses afin de respecter les exigences de température.

TAeZoSysPro permet de prendre en compte une grande variété de phénomènes au sein d'un modèle transitoire modulaire, adapté aux études de conception et d'analyse des locaux industriels. Les marges sont ainsi quantifiées avec précision grâce à un outil qualifié répondant aux exigences du projet.

Vous souhaitez évaluer la tenue thermique d'un local, la protection d'équipements sensibles ou les conditions d'habitabilité ? Contactez nos équipes pour définir un modèle adapté à votre installation.