COMFIE : Un moteur de simulation thermique dynamique multizone rapide et reconnu
Présentation des logiciels Tarifs

La simulation thermique dynamique de PLEIADES utilise le moteur de calcul COMFIE. Développé par le Centre d'énergétique de l'école des Mines de Paris depuis 1990, COMFIE s'appuie sur un modèle aux différences finies multizone réduit par analyse modale. Il a été validé expérimentalement avec des cellules test et des bâtiments expérimentaux et comparé à plusieurs logiciels sur des bancs d’essai (voir plus bas).

Cette approche physique rigoureuse permet d’évaluer avec précision l’influence de l’inertie et des apports thermiques sur les consommations hivernales et sur le confort d’été : un niveau d’analyse indispensable pour la conception de bâtiments à basse consommation et haut niveau de confort.

La simulation thermique dynamique réalisée avec COMFIE permet de répondre aux questions suivantes :
  • Comment affiner la surpuissance et le temps de relance d'un système de chauffage ?
  • Quelle est l’évolution des puissances de chauffage nécessaires sur chaque zone thermique pendant la période hivernale ?
  • Comment dimensionner et piloter les ouvertures de ventilation naturelle pour ne plus être en situation d’inconfort ?
  • Comment dimensionner au mieux un système de chauffage en base + appoint ?
  • Comment dimensionner au mieux la masse thermique d’un bâtiment ?

Un outil de simulation en régime dynamique

Un bâtiment est en permanence soumis à des sollicitations variables (météorologie, comportement des occupants, des équipements) ce qui fait que son comportement n'est jamais assimilable à un régime établi (équilibre). Pour simuler ce comportementt, l'usage d'un modèle dynamique est indispensable afin de calculer avec précision l'accumulation de chaleur par les différents éléments du bâtiment. COMFIE réalise une simulation dynamique avec un pas de temps infra-horaire et fournit les températures et besoins énergétiques des différentes zones du bâtiment heure par heure.

Là où les modèles statiques ne peuvent qu’approcher la part des apports récupérés par un taux de récupération forfaitaire, COMFIE simule finement l’interaction entre l’inertie du bâtiment et les apports internes et solaires.

Constitution automatique d’un modèle aux différences finies

COMFIE décompose le projet en mailles, supposées à température uniforme, représentant des portions de parois. Pour cela, la composition de chaque paroi est analysée afin de déterminer la disposition et le nombre de mailles requis. Une maille supplémentaire caractérise l’ambiance intérieure de chaque zone thermique. Ce maillage automatique permet de s’approcher du meilleur compromis entre la finesse du résultat et la rapidité du calcul. Avec l’évolution des performances des ordinateurs, la finesse du calcul est régulièrement améliorée.

COMFIE : Bilan énergétique


Pour la mise en équation, un bilan thermique est déterminé sur chacune des mailles afin d'évaluer tous les flux de chaleur échangés. Les caractéristiques (conductivité, capacité thermique et masse volumique) de tous les matériaux constitutifs des parois sont prises en compte, ce qui est beaucoup plus détaillé qu'une description de paroi par un coefficient d'échange thermique (U) et une classe d’inertie (légère, moyenne, lourde). Les matériaux à changement de phase peuvent également être pris en compte.

 

COMFIE prend en compte les échanges thermiques au travers de chaque paroi.

Un véritable modèle multizone

Les modèles de chaque zone thermique sont couplés, afin de constituer un modèle global du bâtiment. Il est pour cela nécessaire de décrire les parois internes séparant les différentes zones.

COMFIE : Modèle multi-zones

 

COMFIE prend en compte les échanges thermiques entre les zones thermiques.

Une rapidité de calcul inégalée

Chaque modèle de zone est réduit par analyse modale. Cette simplification permet de ne calculer que les modes les plus représentatifs de l’évolution dynamique des composants (murs, planchers…) ou des sollicitations (variations d’ensoleillement, puissance de chauffage régulée…).
Comme pour le maillage, c’est le compromis entre finesse du résultat et temps de calcul qui a amené à retenir 10 constantes de temps dans la version actuelle de COMFIE.

Pour l’utilisateur muni d’un ordinateur récent, le temps de calcul est inférieur à une minute pour la plupart des projets. Il peut atteindre quelques minutes pour des projets très complexes.

Fonctionnalités complémentaires

COMFIE dispose de plusieurs fonctionnalités complémentaires issues des recherches de Mines ParisTech :

  • Calcul des besoins d'éclairage artificiel à partir des niveaux d'éclairement naturel dans les pièces ; l'éclairement naturel est calculé par le module Enelight d'ALCYONE.
  • Calcul de l'effet lié à l'intégration de matériaux à changement de phase
  • Calcul de l'effet lié à la ventilation du bâtiment par un puits climatique
  • Calcul de la production d'une installation photovoltaïque intégrée au bâtiment
  • Calcul aéraulique (cf. ci-après)
  • Calcul de la teneur en eau de l'air des zones

Calculs aérauliques

Depuis mai 2015, Comfie comporte un composant aéraulique capable de calculer les débits d’air entre les pièces et entre les pièces et l'extérieur. Ce calcul s'appuie sur les données suivantes :
 

  • saisie de la perméabilité à l'air globale de l'enveloppe aéraulique (Q4 en m3/h/m²),
  • saisie pièce par pièce des entrées d'air et bouches de ventilation (soufflage et reprise),
  • saisie des modes d'ouverture des menuiseries extérieures (scénario d'ouverture ou ouverture pilotée par un automatisme),
  • saisie du détalonnage et des modes d'ouverture des menuiseries intérieures,
  • données de vent présentes dans les fichiers météorologiques.
A partir de ces données, le bilan des débits pièce par pièce est effectué en prenant en compte la ventilation naturelle et mécanique, les ouvertures des menuiseries intérieures et extérieures, la perméabilité à l’air des parois, l’influence du vent sur les façades et le tirage thermique. Les consommations des ventilateurs associés sont prise en compte ainsi que le prétraitement d'air.

 

La simulation de Pleiades est ainsi un outil de dimensionnement des ouvertures pour la ventilation naturelle.

Validation

COMFIE a passé avec succès plusieurs types de validation :

Comparaisons à des données expérimentales

  • Comparaison aux mesures des maisons expérimentales à basse consommation énergétique de la plate-forme INCAS de l'INES au Bourget du Lac (73)
  • Comparaison aux mesures de la cellule test au CEN de Cadarache (13) (programme PASSYS)
  • Comparaison aux mesures de la cellule test de l’EMPA à Dübendorf en Suisse

COMFIE : Cellule test

 

Comparaisons inter-modèles, dans le cadre de bancs d’essais de logiciels

  • Banc d’essai en multizone, Agence Internationale de l’Énergie
  • Procédure « BEStest » définie dans la norme ANSI/ASHRAE 140-2001

COMFIE : Comparaison interlogicielle

Pour plus de détails sur les études de validation menées sur Comfie, vous pouvez consulter la publication suivante :