Memoire Online - Etude de l'impact des modèles de confort sur la consommation énergétique des bà¢timents en zone tropicale

REPUBLIQUE DU CAMEROUN REPUBLIC OF CAMEROON

Paix - Travail - Patrie Peace - Work - Fatherland

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UNIVERSITE DE YAOUNDE I UNIVERSITY OF YAOUNDE I

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CENTRE DE RECHERCHE ET DE POSTGRADUATE SCHOOL OF SCIENCE,

FORMATION DOCTORALE / SCIENCES, TECHNOLOGY AND GEOSCIENCES

TECHNOLOGIE ET GEOSCIENCES (CRFD/STG)

(CRFD/STG) **********

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UNITE DE RECHERCHE ET DE FORMATION PHYSICS AND APPLICATIONS

DOCTORALE PHYSIQUE ET APPLICATIONS **********

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LABORATOIRE D'ENERGIE, DES SYSTEMES ELECTRIQUES ET ELECTRONIQUES

ENERGY LABORATORY, ELECTRICALS AND ELECTRONICS SYSTEMS

Option : Energie et Environnement

ETUDE DE L'IMPACT DES MODELES DE CONFORT SUR
LA CONSOMMATION ENERGETIQUE DES BATIMENTS EN

ZONE TROPICALE

Mémoire rédigé et présenté en vue de l'obtention du diplôme de Master of
Science en Physique
Par :
NZOKOU CHEDJOU Danick
Matricule : 16J2235
Licencié en Physique

Sous la direction de :

NGONO MVONDO Rachel Raïssa

Chargé de cours

Année 2023

A mes chers parents Silvestre et Helene Chedjou qui ont tout fait pour que je réussisse dans ma vie, que Dieu me les protège,

La maîtrise de la demande d'énergie offre des possibilités intéressantes. Toutefois, elle repose en bonne partie sur la volonté du consommateur et nécessite des changements de comportement qui ne s'acquièrent pas facilement et qui prennent du temps à s'implanter.

Ce travail, est le résultat de plusieurs efforts consentis dont la volonté du tout puissant est à l'origine. Ainsi je ne pourrais manquer d'adresser ma profonde gratitude à toutes les personnes qui ont participé de près ou de loin à la concrétisation ce mémoire. Il s'agit de :

Pr NDJAKA Jean Marie, Chef de département de physique, Université de Yaoundé 1.

Pr SIMO Elie, Chef de laboratoire d'Energie et Environnement, Département de Physique, Université de Yaoundé 1.

Yaoundé 1, pour sa disponibilité, sa supervision éclairée tout au long de la rédaction du mémoire.

Dr WATI Elvis, pour sa disponibilité, et son accompagnement tout au long de ce travail avec beaucoup de patience, de gentillesse et de multiples conseils.

Dr BOPDA Franklin, pour sa disponibilité, et son accompagnement tout au long de ce travail avec beaucoup de patience, de gentillesse et de multiples conseils.

Aux membres du jury, qui malgré leurs multiples occupations respectives, ont lu ce travail afin d'en formuler une juste appréciation qui contribuera à sa perfection.

Aux enseignants du Département de Physique, pour leurs enseignements et conseils. Mr/Mme CHEDJOU ; Mr/Mme KEPSEU, pour leur attention, soutien moral et financier. Ma grande mère chérie DJOUELLA MARTINE pour son amour son attention qu'elle m'a toujours donnée.

A la famille KEPSEU, CHEDJOU pour leur hospitalité, leur disponibilité, leur disposition et surtout leur amour.

A tous mes camarades de la promotion pour les moments passés ensemble au cours de notre formation.

M. TCHINDA Wilfried, Mme MEGOUANG.A, Djayep Prince, OKONOK Lucien, l'équipe de Sci-Ent, Mme DZIFACK Rosine, NNOMO Isacar, je vous remercie énormément pour votre soutien inconditionnel pour vos encouragements.

I-2-4-Autres facteurs (vitesse de l'air, l'humidité relative, la température de l'air, la

Tableau 1: Valeur de l'activité métabolique « met » suivant différentes tâches. 10

Tableau 3 : Température optimale de confort et les limites supérieure et inferieur des catégories

Tableau 4 : Températures opératives recommandées basées sur la norme ISO7730 [17]. 22

Tableau 5: Estimation du pourcentage PPD et l'intervalle PMV pour les 3 catégories suivant le

confort général et l'inconfort local [37] 22
Tableau 6: Consommation d'énergie annuelle pour le chauffage et le refroidissement suivant

Tableau 8 : Description des lettres définissant les différents climats [41]. 36

Tableau 10 : température opérative de chaque villes en fonction des critères de la norme

Figure 1 : L'interaction thermique entre le corps humain et son environnement [12]. 7

Figure 6: Représentation PPD en rapport avec le PMV d'après la norme ISO 7730 [25]. 14

Figure 7 : Estimation du confort statique/ adaptative pour les bâtiments climatisés (a) [26]. . 16 Figure 8: Estimation du confort statique/ adaptative pour les bâtiments ventilés naturellement

Figure 9: les deux modèles de confort thermique et leurs différences fondamentales [15]. 17

Figure 10 : Plage de Températures de confort intérieur en fonction de la température extérieure

moyenne mensuelle [17]. 19
Figure 11: Plage de Températures de confort intérieur en fonction de la température extérieure journalière glissante pondéré suivant les différentes catégories établies par la norme EN15251

Figure 15 :propriétés des matériaux de construction du bâtiment de référence. 33

Figure 25 : Distribution de la température opérative pour les villes de Yaoundé et Douala. 44

Figure 26 : Distribution de l'humidité relative de l'air pour les villes de Yaoundé et Douala 45

Figure 27 : Distribution des températures moyenne radiante de l'air pour les villes de Yaoundé

Figure 28 : Distribution des températures de l'air pour les villes e Yaoundé et Douala. 45

Figure 29 : Distribution de la température opérative couplée à l'humidité relative de l'air. 47

Figure 30 : Ecart entre la température de l'air (Ta) et la température moyenne radiante(Tmr).

47
Figure 31 :Différence de température entre la température des murs et la température de l'air

Figure 32 : Consommation mensuelle d'énergie pour le chauffage et le refroidissement. 49

ASHRAE: American Society of Heating, Refrigerating and Air-conditioning Engineers

Trm : La moyenne mobile pondérée exponentielle de la température extérieure quotidienne de

Te-(1+i) : La moyenne quotidienne de la température extérieure sèche de l'air du jour précédent

RESUME

Ce travail consiste à faire une étude de l'impact des modèles de confort sur la consommation énergétique des bâtiments en zone tropicale dans l'optique d'élaborer des possibilités de réduction de la consommation énergétique associées à la recherche du confort dans les bâtiments ce qui conduira à limiter l'impact environnementale du bâtiment. Afin d'atteindre cet objectif, ce travail aura consister à réaliser une étude sur les modèles de confort (leur efficacité et consommation énergétique dans la recherche du confort), Apres analyse, le modèle adaptatif régis par la norme ASHRAE 55 est le mieux adapté pour la zone tropicale et faire une simulation afin de générer différents résultats souhaités sur la consommation énergétique et la température opérative de notre modèle de confort dans un bâtiment de référence. Le logiciel Energyplus a été utiliser pour l'encodage des données caractéristiques de notre bâtiment de référence et l'introduction des fichiers climatiques relatif aux différentes villes test, le logiciel DWG trueview 2014 pour la visualisation 3D de notre bâtiment une fois les données caractéristiques introduites dans E+ et Excel 2016 pour le traitement des données issus de la simulation. Les températures opératives à savoir 23,37°C<To<24,80°C dans la ville de Yaoundé et 23,99°C<To<24,75°C à Douala obtenus après simulation permettent de comprendre que le modèle de confort adaptatif régit par la norme ASHRAE 55 surestime le confort thermique en climat tropicale donc impliquant une consommation énergétique au-dessus de celle nécessaire tel que le démontre les résultats expérimentaux d'autre étude réalisé en climat tropicale.

Mots clés : modèles de confort, confort thermique, consommation énergétique, zone tropicale.

ABSTRACT

This work consists in making a study of the impact of the comfort models on the energy consumption of the buildings in tropical zone in the optics to work out possibilities of reduction of the energy consumption associated with the search for the comfort in the buildings what will lead to limit the environmental impact of the building. In order to achieve this objective, this work will consist in carrying out a study on the comfort models (their efficiency and energy consumption in the search for comfort), after analysis, the adaptive model governed by the ASHRAE 55 standard is the best adapted for the tropical zone and to make a simulation in order to generate various desired results on the energy consumption and the operative temperature of our comfort model in a reference building The Energyplus software was used for the encoding of the characteristic data of our reference building and the introduction of the climatic files relating to the various test cities, the DWG trueview 2014 software for the 3D visualization of our building once the characteristic data introduced in E+ and Excel 2016 for the treatment of the data resulting from the simulation. The operating temperatures of 23.37°C<To<24.80°C in Yaoundé and 23.99°C<To<24.75°C in Douala obtained after simulation allow us to understand that the adaptive comfort model governed by the ASHRAE 55 standard overestimates the thermal comfort in tropical climate thus implying an energetic consumption above the necessary one as demonstrated by the experimental results of other study carried out in tropical climate.

Keywords: comfort models, thermal comfort, energy consumption, tropical zone.

INTRODUCTION GENERALE

L'impact environnemental de la consommation énergétique des bâtiments est de plus en plus préoccupant, et il est crucial de réduire cette consommation pour limiter les émissions de gaz à effet de serre. Les émissions de gaz à effet de serre (GES) du secteur du bâtiment étaient estimées en 2010 à 9,18 GtCO2e, soit environ un cinquième du total mondial tous secteurs confondus. Sous l'effet combiné de la croissance démographique et d'une urbanisation massive, ces émissions pourraient potentiellement doubler voire tripler d'ici 2050 [1] La population mondiale serait alors d'environ 9 milliards d'habitants avec un taux de population urbaine passant de 53% aujourd'hui à plus de 80 % [2] Ces chiffres traduisent une empreinte carbone et une contribution significative au changement climatique d'origine anthropique.il est donc important d'explorer les différentes stratégies pour réduire leur empreinte écologique.

Dans ce contexte, l'étude de l'impact des modèles de confort sur la consommation énergétique des bâtiments en zone tropicale est d'un grand intérêt. En effet, la zone tropicale est caractérisée par des températures élevées et une forte humidité, ce qui rend la régulation thermique des bâtiments particulièrement difficile.

Les modèles de confort thermique sont des outils utilisés pour déterminer les conditions de confort thermique pour les occupants d'un bâtiment. Ces modèles prennent en compte des paramètres tels que la température de l'air intérieur, la vitesse de l'air, l'humidité relative et d'autres facteurs pour déterminer les conditions de confort thermique pour les occupants. Cependant, la plupart des modèles de confort thermique ont été développés pour des bâtiments dans des climats tempérés et arides et ne prennent pas en compte les conditions spécifiques des zones tropicales. Les conditions climatiques des zones tropicales, notamment les températures et l'humidité élevées, peuvent rendre difficile le maintien des conditions de confort thermique pour les occupants tout en réduisant la consommation d'énergie pour le refroidissement.

L'objectif de ce mémoire est donc d'analyser l'impact des modèles de confort sur la consommation énergétique des bâtiments en zone tropicale, en étudiant les différentes stratégies de régulation thermique possibles. Pour ce faire, nous allons examiner différentes études sur le sujet, ainsi que les normes et les règlementations en vigueur dans la zone tropicale. Nous allons également réaliser une simulation du modèle de confort le plus en adéquation avec la zone tropicale afin de déterminer son efficacité en terme de réduction de la consommation énergétique des bâtiments. Nous espérons ainsi contribuer à une meilleure compréhension des enjeux de la régulation thermique des bâtiments en zone tropicale, et la mise en place de

solutions efficaces pour réduire leur empreinte. Ainsi, le présent mémoire s'organise en trois chapitres :

Le premier chapitre dresse une revue de littérature sur les généralités sur le confort thermique. Ici les différentes approches pour évaluer le confort thermique et la consommation énergétique dans le bâtiment seront abordés.

Le second chapitre est consacré à la présenterons des matériels et différentes méthodes utilisées pour la modélisation et simulation. L'étude expérimentale dans laquelle il y'aura : la présentation des logiciels et des matériaux utilisés, la sélection des villes représentatives du climat tropical et la présentation de la géométrie et propriétés des matériaux constitutifs du bâtiment seront présentés.

Le troisième chapitre présente les principaux résultats les résultats des différentes simulations effectuer sur le logiciel Energyplus concernant les températures de confort intérieur, la température de l'air, celle des murs obtenus et éventuelle réponses à notre problématique.

Le présent mémoire se terminera par une conclusion générale incluant les principaux résultats et des perspectives.

INTRODUCTION

Ce premier chapitre présente la revue de littérature constitue de cinq parties :

Dans la première partie, les généralités sur le confort thermique : la définition, la sémantique et les différents facteurs qui caractérisent le confort thermique seront abordé. La deuxième partie présente les différentes approches du confort thermique à savoir les modèles de confort. La troisième et quatrième partie, se rapportent à la présentation des normes de confort et l'analyse comparative de celles-ci. La cinquième et dernière partie du présent chapitre porte sur l'efficacité énergétique dans la recherche du confort.

I-GENERALITE SUR LE CONFORT THERMIQUE

I-1-Definition

Le confort thermique peut se définir comme étant l'état de satisfaction du corps vis-à-vis de l'environnement thermique (ne pas avoir ni trop chaud ni trop froid, ni sentir un courant d'air désagréable). Il se défini également comme « un état dans lequel il n'y a pas d'impulsions de conduite pour corriger l'environnement par le comportement. » [2].

Le confort thermique est vu comme un état d'esprit dans lequel les occupants sont satisfaits de leur environnement thermique environnant et ne désirent ni une condition plus chaude ni une condition plus froide [3].

La définition spécifique de l'American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE) du confort thermique, décrit l'état d'esprit psychologique d'une personne, et est utilisée pour décrire une condition dans laquelle une personne ne se sent ni trop chaude ni froide : il s'agit essentiellement d'une réponse subjective ; ou d'un état d'esprit ; où une personne exprime sa satisfaction vis à vis de son environnement [4]. Le confort thermique doit être assuré avec les autres modèles du confort (acoustique, olfactif, visuel)

I-2-Semantique du confort thermique

Le confort thermique peut être caractérisé, pour un individu donné par l'état de satisfaction avec les conditions d'environnement [5]. Cette satisfaction est traduite par l'impossibilité pour le sujet de préciser s'il préfère la sensation de chaleur ou de fraicheur. Il n'est normalement pas possible de satisfaire tous les occupants au même moment car les personnes diffèrent biologiquement et psychiquement. Ce pendant on peut créer un environnement optimal dans une pièce, c'est-à-dire des conditions ou le pourcentage maximal d'occupant est dans un état de confort thermique. Le comportement du corps étant en action

permanente avec l'environnement thermique afin de garantir l'équilibre thermique qui se traduit par une température corporelle idéale de fonctionnement autour de 37 degrés Celsius et offrant le confort thermique recherché.

Les paramètres les plus important qui participent au bilan thermique de l'homme et caractérisent l'état de confort thermique sont :

I-2-1-Facteur physiologique

L'aspect physiologique est un facteur garantissant la neutralité thermique du corps humain. Le fonctionnement des différents organes et l'activité musculaire nécessitent une dépense énergétique permanente, le métabolisme. Cette énergie dégagée essentiellement sous forme de chaleur se propage de l'intérieur vers l'extérieur de l'organisme, véhiculé par la conduction tissulaire et surtout par la convection sanguine. La répartition énergétique et les coefficients locaux d'échange de chaleur font que, globalement, le noyau central est à une température de l'ordre de 37 °C, alors que la surface périphérique (peau) est comprise entre 2930 °C aux pieds et 34-35 °C au niveau de la tête. Ces températures sont susceptibles de varier, au quotidien, en réponse à des perturbations internes et externes [6].

L'homme étant homéotherme, il dispose d'un système dynamique de thermorégulation qui permet de contrôler et réguler les échanges de chaleur interne et externe du corps humain, dit système régulé passif, afin de maintenir les températures du corps à leurs valeurs de consigne [7]. Ici, la thermorégulation est décrite comme étant un système dynamique qui a pour but de maintenir la température du corps à sa valeur de consigne, en maitrisant les échanges de chaleur interne et externe. Elle se décompose en deux catégories, la thermorégulation végétative et la thermorégulation comportementale qui peut être consciente ou inconsciente.

La thermorégulation végétative est le processus de thermorégulation végétative est basé sur les échanges entre la chaleur, la masse interne et celle externe du corps (cutanée). En conditions standard, la température moyenne de la peau est maintenue à 34 degré Celsius ; la température interne est maintenue à une valeur proche de 36 degré Celsius la nuit et 39 degré Celsius pendant certains efforts prolonges. La température interne varie peu d'environ 2 à 3

degré Celsius tandis que les températures cutanées sont sensibles à l'environnement thermique. Ce qui permet à Olissan [8] de dire que les variations de 10 degré Celsius sont possible en

fonction des conditions externes. Les différentes réponses d'ordres involontaires
(inconsciente) effectuées par le corps pour réaliser la régulation est décrite par Bigouret [9] de la manière suivante :

? La sudation : elle participe à la thermorégulation en régulant (diminuant) la température
corporelle en libérant de la chaleur au niveau de la peau. La transpiration doit éviter que l'organisme se réchauffe trop, par exemple lors d'une exposition a une forte chaleur ou pendant la pratique du sport.

? La vasodilatation et la vasoconstriction : c'est l'élargissement ou le rétrécissement du
diamètre des vaisseaux sanguins afin d'augmenter ou diminuer le débit sanguin le but étant de répondre à la surchauffe par une augmentation de la perte de chaleur par convection via la peau ou au contraire pour répondre au refroidissement du corps de diminuer les échanges thermiques et d'éviter la perte de chaleur du noyau et des organes vitaux. [10].

? La contraction musculaire : réaction spontanée activée par le corps pour lutter contre le
froid en changeant le taux métabolique et transformant l'énergie en chaleur en mettant les muscles en tension, réchauffant ainsi le corps.

La thermorégulation comportementale : La température interne varie essentiellement en fonction de l'activité de l'individu. Les déplacements et les activités musculaires dégagent de la chaleur dans les muscles ; cette chaleur est véhiculée par le sang, elle est donc distribuée centralement et modifie la température interne. La température externe n'est pas affectée par l'activité métabolique ; elle dépend exclusivement des variations des paramètres extérieurs (température d'air, ou de rayonnement, vitesse d'air, vêtement). La thermorégulation comportementale ou d'ajustement représente les différents changements que peut faire l'occupant pour améliorer son confort et assurer l'équilibre thermique en modifiant les flux de chaleur et de masse [11], cela par des ajustements conscients comme par exemple agir sur son environnement immédiat en ouvrant les fenêtres , en changeant de local ou éventuellement sur son habillement ou son activité physique et métabolique ( en se désaltérant par exemple), pour minimiser ainsi les inconvénients de la thermorégulation autonome perçue comme désagréable.

I-2-2-Facteur physique

La chaleur produite à l'intérieur du corps humain nécessite un équilibre thermique avec son environnement ; le facteur physique regroupe les interactions thermiques entre le corps humain et son environnement ceci dans l'objectif de garder de manière permanente la

température corporelle à 37 degrés Celsius par conséquent assuré le bon fonctionnement des organes vitaux internes : il s'agit de l'homéostasie. L'être humain est considéré donc comme étant une machine thermodynamique ou la surface cutanée de la peau représente l'enveloppe et permet les échanges avec l'extérieur, à savoir l'environnement immédiat via différents modes d'échanges (convection, rayonnement, évaporation, respiration ou autres), les déperditions seront égales à la création de chaleur dû à l'activité métabolique [12]. Si la chaleur produite dans le corps dépasse celle perdue à l'environnement, le corps se réchauffe et sa température interne s'élève et dans le cas inverse il se refroidit avec un abaissement de sa température interne.

Figure 1 : L'interaction thermique entre le corps humain et son environnement [12].

Le bilan thermique entre l'homme et l'environnement est exprimé par J.C. Deval [13] de la manière suivante, en comptabilisant les contributions de la production interne de chaleur, des échanges rayonnants convectif, évaporatoire et respiratoire.

I-2-3-Facteur psychologique

Cet aspect concerne la sensation et comportement de l'individu dans un environnement thermique. Elle diffère d'un individu a un autre, elle dépend de l'expérience sensorielle et ne peut pas être basée uniquement sur la physique et la physiologie. [14]

Une personne exposée à un environnement extérieur chaud et qui est amenée vers un local plus frais par exemple, peut exprimer une satisfaction et un confort envers son environnement alors que son équilibre thermique n'est pas encore atteint.

En 2012, Mazari parle de l'étude de Rholes & wells dans laquelle ils ont analysé des sujets dans des environnements de couleurs différentes et ont constaté que les personnes avaient plus chaud dans un environnement de couleur chaude (rouge) que ceux qui étaient dans un environnement de couleur bleue. Ces réponses disparates confirment l'importance du facteur psychologique (attente et cognitif) dans la perception du confort thermique et lui confère une valeur équivalente et une considération tout aussi grande que l'influence des facteurs physiques ou physiologiques.

Le confort thermique n'est donc pas défini dans l'absolu. Il dépend du contexte et des caractéristiques individuelles. Il peut être conçu comme un processus adaptatif dynamique qui intègre les différents mécanismes physiques, physiologiques et psychologiques

I-2-4-Autres facteurs (vitesse de l'air, l'humidité relative, la température de l'air, la température moyenne radiante, le climat)

La vitesse de l'air dans le bâtiment doit être limitée à 1,5m/s [16] car au-delà de cette vitesse, il y a augmentation des pertes de chaleur par convection et évaporation [17].

Elle représente la quantité de vapeur d'eau présente dans l'air. Elle influence les échanges évaporatoires cutané, détermine la capacité évaporatoire de l'air et donc l'efficacité de refroidissement de la sueur [48]. Elle doit être comprise entre 30% et 80% ; en dessous de 30% il se produit une irritation des muqueuses et au-dessus de 80% on peut observer une gêne respiratoire [16].

C'est l'interface de tous les transferts entre la surface cutanée et le milieu extérieur. Son rôle principal est de préserver la chaleur du corps et maintenir des conditions acceptables en particulier en hiver [12]. La vêture a un rôle primordial d'isolant thermique, notamment en période hivernale et dans toutes les ambiances froides, ce rôle est pris en compte à travers la définition d'un indice de vêture, exprimé en Clo (Unité d'isolement vestimentaire, 1 Clo = 0.155 m² °C. W^-1), caractérisant la résistance thermique d'un vêtement. La nature du tissu, la

coupe des vêtements et l'activité du sujet influencent aussi ces échanges thermiques avec l'environnement [19].

L'activité est un paramètre essentiel pour la sensation thermique de l'individu, définissant directement le métabolisme de l'individu, c'est à dire la quantité de chaleur produite par le corps humain. Dans le cas d'une très forte activité, elle peut être responsable de sensations d'inconfort chaud, même en présence de conditions météorologiques très favorables. Il est à noter toutefois que, dans le cas d'une activité classique de bureau, les plages de variation du métabolisme demeurent limitées [12]. Elle est exprimée en met qui correspond à 58.2 W/m², le Tableau ci-dessous reprend quelques valeurs en fonction de l'activité réalisée.

Tableau 1: Valeur de l'activité métabolique « met » suivant différentes tâches.

C'est un paramètre essentiel du confort thermique ; elle intervient dans l'évaluation du bilan thermique de l'individu au niveau des échanges convectifs et respiratoire. Facilement mesurable en degrés Celsius ou fahrenheit.

C'est une grandeur qui permet de globaliser les échanges thermiques par rayonnement avec l'environnement. Un écart de 3 degrés Celsius entre la température de l'air et la température radiante peut conduire à une situation d'inconfort [16].

Elle peut être mesurée d'une autre façon en utilisant la température opérative.

La température opérative ou la température ressentie est définie dans la norme NF EN ISO 7726 de 2002 comme étant la température d'une enceinte isotherme dans laquelle un occupant échange la même quantité de chaleur par rayonnement et convection que dans l'enceinte dans laquelle il se trouve réellement [14].

Notons que si la vitesse de l'air est inférieure à 0.2m/s, la température opérative (Top) peut être exprimée comme suit :

Le fonctionnement des équipements électriques (éclairage, électroménagers) s'accompagne toujours d'un dégagement de chaleur. Les postes informatiques sont également de vraies sources de chaleur et les occupant constitue eux aussi une autre source d'apports internes par leur métabolisme. Le gain thermique interne comprend alors, toute quantité de chaleur générée dans l'espace par des sources internes autre que le système de chauffage.

Le taux de gain thermique d'un bâtiment varie continuellement en fonction de son utilisation (équipements), de l'horaire d'occupation (charge thermique des occupants, éclairage artificiel) et du rayonnement solaire [20]. Il faut noter cependant que ces apports sont variables selon le comportement des occupants, et qu'ils constituent donc un facteur d'aggravation de l'inconfort chaud, sur lequel les moyens d'action architecturaux sont limités. Seuls, une bonne ventilation et un comportement adéquat de l'occupant peuvent réduire ces apports ou leur influence sur la température intérieure [21].

II-DIFFERENTES APPROCHES DU CONFORT

Dans la littérature nous distinguons deux types d'approche qui se sont développé et qui ont été ajouté dans diverse normes international pour satisfaire le confort intérieur.

II-1-La méthode Analytique : FANGER

Cette méthode est celle de Fanger développée dans les années 1970 ; Fanger expérimente les chambres climatiques contrôlées sur 1296 personnes exposes à des environnements thermique différents et ainsi développe son modèle de confort statique basé sur la thermorégulation qui garantit une température corporelle stable en utilisant des procédés physiologiques « afin de, maintenir un équilibre entre la chaleur produite par le métabolisme et la perte de chaleur du corps » [22] qui a pour résultat une sensation thermique neutre. Cette

approche introduit deux indices permettant d'évaluer le confort thermique : le vote moyen prévisible PMV et le pourcentage d'insatisfait PPD.

Afin d'évaluer et quantifier les échanges de chaleur entre le corps et son environnement, Fanger a établi un modèle mathématique combinant les six variables représentant les principaux paramètres d'entrée du confort, à savoir les quatre grandeurs physiques liées à l'environnement (l'humidité relative, la température moyenne radiante, la température de l'air et la viscosité de l'air) mais aussi les deux variables personnelles (l'habillement et l'activité métabolique), représentées par le bilan thermique et qui ont été développé pour donner l'équation suivante :

A partir de cette équation d'équilibre thermique et de ces expériences en chambres climatiques

Le PMV établi par Fanger permet de mesurer une sensation thermique globale du corps

humain à partir du métabolisme et donne la moyenne des votes en référence à une échelle de

sensation thermique. Les valeurs de l'indice PMV varient entre -3 et 3 comme l'indique-le

Valeur de l'indice PMV	+3	+2	+1	0	-1	-2	-3
Sensation thermique	Chaud	Tiède	Légèrement tiède	neutre	Légèrement frais	Frais	Froid

Il est tout à fait normal que des conditions jugées comme confortables pour certaines personnes, ne le soient pas pour d'autres même si elles évoluent dans un seul et unique espace commun car les perceptions individuelles sont différentes. En effet, [23] ont démontré qu'il pouvait y avoir jusqu'à 1 unité de différence sur l'échelle de la sensation thermique d'ASHRAE

dans un même groupe soumis à un même environnement et aux mêmes conditions thermiques, ce résultat est tout autant vrai dans le travail de Fanger & Langkilde, cité par [23] ou ils avaient constaté des disparités dans l'appréciation du confort allant jusqu'à 1.15°C.

Fanger a ensuite associé le PPD (Pourcentage Prévisible D'insatisfaits) qui exprime le pourcentage des sujets « insatisfaits » de manière générale.

A cause des différents physiologiques il s'avère impossible de satisfaire tout le monde en réunissant des conditions « idéales » ; et le PPD exprime sous formes de pourcentage les sujets « Insatisfaits » d'une ambiance thermique déterminée.

Par contre, il est possible de créer un environnement dans lequel le pourcentage de personnes satisfaites est maximum, qui correspond aux conditions optimales de neutralité thermique du corps humain [Justin, K, p33]. Il reste néanmoins, en moyenne, 5 % d'insatisfaits lorsque le PMV est nul [24].

La norme ISO 7730 stipule que pour se situer dans la zone de confort thermique, il faut que : -0,5 < PMV < 0,5 soit PPD < 10 %

L'indice PPD (Predicted percentage of dissatisfied) qui est lié à l'indice PMV par l'équation :

Figure 6: Représentation PPD en rapport avec le PMV d'après la norme ISO 7730 [25].

II-2-L'approche adaptative

Dans le début du 21^e siècle, l'approche adaptative est mise en place. Elle considère que les personnes ne sont pas passives vis à vis de leur environnement intérieur mais jouent un rôle actif dans le maintien du confort thermique. C'est-à-dire que l'homme peut agir sur son environnement en fonction de ses besoins et de sa perception du climat. [20]

Humphrey considère le principe suivant : « si une modification des conditions climatiques se produit et provoque de l'inconfort, les personnes entreprendront des actions visant à rétablir leur confort » L'ensemble de ces actions constituent la base de l'adaptation, plus le bâtiment est équipé de moyens d'adaptation et plus l'occupant est susceptible d'y éprouver du confort. D'après [49], si nous étions libres d'utiliser tous ces leviers d'action, le confort thermique ne serait pas un problème, le problème naît du fait qu'il existe de nombreuses contraintes limitant notre capacité à entreprendre l'une ou l'autre de ces actions.

Il a été démontré par plusieurs études que les conditions strictes d'études en laboratoire des chambres climatiques utilisé par Fanger pour le modèle analytique ne correspondaient pas à la réalité sur le terrain car elles ne prennent pas en compte plusieurs éléments telles que l'adaptabilité des occupants et l'interaction avec leur environnement immédiat, mais aussi l'aspect psychologique et socioculturel de ces derniers.

Afin d'évaluer la robustesse du modèle de Fanger, il a été mené dans les années 1980 par ASHRAE une étude sur 160 bâtiments reparti sur l'ensemble du globe correspondant à des zones climatiques différente [26]. Les résultats de cette étude ont dévoilé une inexactitude ( surestimation ou sous-estimation) des températures de confort par le modèle PMV dans les bâtiments ventilés naturellement car les occupants de ces immeubles supportaient des températures plus élevées ou plus faibles et avaient tendance à accepter une plus large variation de températures traduisant une plus faible réceptibilité aux variations d'ambiance intérieure [10], contrairement aux bâtiments climatisés ou le modèle de Fanger (PMV) était efficace dans la prédiction des températures de confort des occupants comme l'illustre la figure 6 et 7 suivante.

Figure 7 : Estimation du confort statique/ adaptative pour les bâtiments climatisés (a) [26].

Figure 8: Estimation du confort statique/ adaptative pour les bâtiments ventilés naturellement (b) [26].

Ces différences s'expliquent par le fait que les bâtiments climatisés Figure 6 (a) se rapprochent de la configuration des tests effectués par Fanger dans les chambres climatiques menées en laboratoire avec un environnement scellé, contrôlé à régime quasi statique et stationnaire, d'où la corrélation entre la prédiction PMV et les mesures sur terrain. Cependant, dans les bâtiments ventilés naturellement Figure 7 (b) les disparités sont flagrantes faisant apparaitre les limites du modèle de Fanger, en effet dans la réalité les occupants ne sont pas statiques et évoluent dans un environnement dynamique en relation avec la température extérieure ou ses différents paramètres sont en fluctuation perpétuelle l'obligeant à interagir avec ce dernier afin de garantir sa neutralité thermique, s'il ressent un inconfort , l'occupant a

tendance à agir pour rétablir l'équilibre [27]. Ainsi, il peut ouvrir les fenêtres, changer son habillement, boire une boisson fraiche qui modifiera son taux métabolique...etc., et aura donc plus de possibilités à trouver une configuration lui apportant le confort recherché, en créant en dehors des facteurs physiques, des boucles rétroactives d'ajustement comportementales conscients ou non, d'acclimatations ou d'accoutumances.

Figure 9: les deux modèles de confort thermique et leurs différences fondamentales [15].

III-LES NORMES DU CONFORT THERMIQUE

A ce jour, une variété de modèles de confort thermique sont disponibles dans la littérature et la normalisation pour un environnement intérieur modéré tels que le modèle de confort de Fanger (également appelé modèle rationnel ou statique) [30], le modèle européen de confort adaptatif [23], le Modèle américain de confort adaptatif [28], et le modèle bioclimatique de Givoni [29]. Ils fournissent les conditions thermiques ou hygrothermiques les plus probables sous forme de valeurs ou de zones objectives individuelles sur une carte psychrométrique. Ces modèles fournissent les conditions qui devraient « statistiquement » minimiser l'inconfort thermique perçu par les occupants typiques dans un environnement modéré et peuvent être utilisés pour évaluer dans quelle mesure une condition intérieure thermique ou hygrothermique donnée est loin d'être optimale. Les modèles de confort thermique ont été développés au cours

des quatre dernières décennies et ont ensuite été inclus dans les normes, mais leur inclusion est arrivée à des périodes différentes :

Les deux principales approches (analytique et adaptative) ont été introduites dans différentes normes internationales pour servir de ligne directrice que ce soit dans la recherche ou la pratique afin d'évaluer le confort intérieur des occupants.

III-1-La Norme ASHRAE 55

L'objectif principal de la norme ASHRAE-55 est de spécifier les combinaisons de paramètres environnementaux thermiques intérieurs (température, rayonnement thermique, humidité et vitesse de l'air) et de paramètres personnels (isolation des vêtements et taux de métabolisme) qui produiront des conditions environnementales thermiques acceptables pour une majorité des occupants. Cette norme était similaire à la norme ISO 7730 dans le début (qui n'était pas adaptatif). Dans les années 1990, l'ASHRAE a chargé De Dear et Brager [31] de mener un projet de recherche spécifique pour collecter des informations à partir de nombreuses études de terrain différentes réalisées dans plusieurs pays : Thaïlande, Indonésie, Singapour, Pakistan, Grèce, Royaume-Uni, États-Unis, Canada et Australie.

Cette étude a montré que les réponses thermiques des occupants dans les espaces libres dépendent largement de la température extérieure (et peuvent différer des réponses thermiques dans les bâtiments HVAC). Cela est dû aux différentes expériences thermiques, aux changements de vêtements, à la disponibilité du contrôle et aux changements dans les attentes des occupants. Par conséquent, l'ASHRAE a proposé une méthode optionnelle pour déterminer les conditions thermiques dans des espaces naturellement conditionnés. Ces espaces doivent être munis de fenêtres ouvrantes et n'avoir aucun système de refroidissement mécanique. Ainsi, l'approche adaptative est intégrée lors de la révision de la norme ASHRAE 55 en 2004 et propose une nouvelle équation d'évaluation ACS (Adaptive comfort standard) du confort intérieur en fonction de la température extérieure comprise entre 10 °C et 33 ° [32], qui est une expression mathématique du résultat et de la régression représentée dans la Figure 8.

To : La température extérieure moyenne mensuelle. (Pour une période comprise entre les 7 et 30 derniers jours avant le jour en question). Cette équation est utilisée pour l'été lorsque les températures extérieures varient de 5 °C à 32°C. Dans la version précédente d'ASHRAE55 (2004), la température de référence était la moyenne mensuelle température de l'air extérieur.

Figure 10 : Plage de Températures de confort intérieur en fonction de la température extérieure moyenne mensuelle [17].

Cette figure comprend des plages d'acceptabilité de 80 % et 90 % des occupants. Les limites d'acceptabilité de 80 % sont pour des applications typiques et les 90 % peuvent être utilisés lorsqu'un niveau de confort thermique plus élevé est souhaité. De plus, le niveau d'activité est déterminé comme étant inférieur à 1,3 met (activités normalement sédentaires). La norme ASHRAE 55 recommande par ailleurs l'utilisation de ce modèle de confort à savoir le modèle adaptatif seulement dans les bâtiments sans système de refroidissement actif , la ventilation est assurée naturellement par l'occupant qui a une réelle possibilité d'interagir avec son environnement en disposant de fenêtres ouvrantes, pour les bâtiments scellés déconnectés de leur environnement extérieur ou il existe un système de chauffage et le refroidissement, la norme prescrit l'utilisation du modèle analytique de Fanger comme dans la norme ISO 7730.

III-2-La Norme EN 15251

Selon la norme européenne EN 15251, les températures de confort acceptables dépendent en effet du type de système utilisé pour assurer le confort d'été. Si le refroidissement est assuré par un système actif, les températures intérieures doivent respecter celles définies par le modèle de Fanger plus certaines hypothèses d'acceptabilité pour différentes catégories de bâtiments. Au lieu de cela, si le confort d'été est assuré par des stratégies de refroidissement passif, la limite supérieure de température est fixée par un modèle adaptatif plus une certaine hypothèse d'acceptabilité pour différentes catégories de bâtiments. Généralement, la mise en oeuvre du modèle adaptatif indique que le confort thermique intérieur est atteint avec une plage de températures plus large que ne le fait la mise en oeuvre du modèle ISO 7730 [10].

Les deux modèles utilisent l'analyse statistique des données d'enquête pour étayer leurs affirmations dans leurs domaines d'application respectifs. Dans certaines situations, il s'avère possible de maintenir les conditions intérieures d'un bâtiment dans les limites de confort adaptatif EN 15251 entièrement par des moyens naturels. Dans ces cas, il n'y a pas de consommation d'énergie associée à l'obtention d'un confort d'été intérieur.

La température optimale de confort opératoire peut être calculée en connaissant la température moyenne quotidienne de l'air extérieur au bulbe sec des jours précédents

Où, Trm est la moyenne mobile pondérée exponentielle de la température extérieure quotidienne de l'air au thermomètre sec, _Te-(1+i) est la moyenne quotidienne de la température extérieure sèche de l'air du jour précédent (1 + i) et á est une constante comprise dans la plage [0, 1], mais une valeur recommandée est de 0,8 afin de simplifier les calculs. Les normes EN 15251 proposent une équation simplifiée pour calculer la moyenne glissante pondérée exponentielle de la température sèche extérieure quotidienne de l'air :

????-?? + ??, ??????-?? + ??, ??????-?? + ??, ??????-?? + ??, ??????-?? + ??, ??????-?? + ??, ??????-??

Les hypothèses d'acceptabilité sont exprimées pour différentes catégories de bâtiments d'occupants à l'intérieur d'un bâtiment et sont exprimées sous forme de plages symétriques autour de la température de confort optimale. Le tableau 3 indique la température de confort optimale et les limites supérieure et inférieure des catégories de confort.

Tableau 3 : Température optimale de confort et les limites supérieure et inferieur des catégories de confort.

Catégorie EN 15251

Description

Model de Fanger

PPD(%) PMV

Modèle adaptative DTop(K)

Niveau d'attente élevé et

recommandé pour les espaces occupés par des personnes très sensibles et fragiles ayant des besoins particuliers comme les handicapés, les malades, les très jeunes enfants et les personnes âgées

-0,2PMV+0,2

#177;2

Niveau d'attente normal et
devrait être utilisé pour les

-0,5 PMV+0,5

#177;3

nouvelles constructions et les
rénovations

III

Un niveau d'attente acceptable
et modéré et peut être utilise
pour les bâtiments existants

-0,7PMV+0,7

#177;4

Valeurs en dehors des critères des catégorie ne devrait être acceptée que pendant une partie limitée de l'année

?15

PMV<0,7 ou

PMV?0,7

Avec toutes ces équations et comme pour la norme ASHRAE 55, un graphique a été établi afin de visualiser et de déterminer les températures de confort pour la norme EN15251 dans un intervalle de température extérieure allant de 10°C à 30°C pour la limite supérieure et de 15°C à 30°C pour les limites inferieures. Ceci avec une activité sédentaire qui se traduit par un taux métabolique entre 1 met et 1.3 met, sans exigence vestimentaire stricte et précise afin de laisser libre choix aux occupants de modifier et d'adapter leur habillement, illustré dans la Figure 9 [10].

Figure 11: Plage de Températures de confort intérieur en fonction de la température extérieure journalière glissante pondéré suivant les différentes catégories établies par la norme EN15251 [10].

III-3-La Norme ISO7730

La norme ISO 7730 propose une évaluation de l'ambiance thermique en se basant sur la méthode analytique de Fanger. Elle se réfère à l'indice PMV/PPD impliquant l'influence de six paramètres environnementaux et personnels à savoir la température de l'air, la vitesse de

l'air, l'humidité relative, la température moyenne radiante, l'habillement et l'activité métabolique. L'objectif de cette norme est de prédire la sensation thermique des personnes exposées. C'est à partir de 1984 que la méthode analytique a été introduite dans la norme et indique la température de référence qui doit être maintenue en été ou en hiver dans le bâtiment [10] selon un niveau d'activité < 1.2 met, un niveau d'habillement égal à 0.5 Clo pour la saison estivale et à 1 Clo pour des conditions d'hiver et un taux d'humidité 40%<HR<60% tel que présenté dans le tableau suivant :

Tableau 4 : Températures opératives recommandées basées sur la norme ISO7730 [17].

Saison	Habillement (Clo)	Métabolisme (met)	Température opératoire optimale	Plage de température opératoire
Hiver	1,0	1,2	22	20-24
Été	0,5	1,2	24,5	23-26

La norme ISO 7730 prédit que pour être dans une zone de confort acceptable le PMV doit être entre -0.5< PMV <+0.5, soit un PPD de 10%, cependant la norme offre 3 catégories différentes relatives à 3 niveaux d'exigences en termes de confort (Tableau 3), la température optimale recommandée reste la même pour les différentes classes mais la plage de température acceptable varie suivant l'acceptation d'un pourcentage plus ou moins élevé d'insatisfait [11].

Tableau 5: Estimation du pourcentage PPD et l'intervalle PMV pour les 3 catégories suivant le confort général et l'inconfort local [37]

Catégorie	Etat thermique du corps dans son ensemble		Inconfort thermique local
	PPD(%)	PMV	Draught rate ( taux de brouillon) [%]	Différence verticale de température [%]	Sol chaud ou froid [%]	Température radiante asymétrique [%]
A	<6	-0,2PMV+0,2	<15	<3	<10	<5
B	<10	-0,5PMV+0,5	<20	<5	<10	<5
C	<15	-0,7PMV+0,7	<25	<10	<15	<10

Il est à noter que l'inconfort local est pris en compte dans cette norme par des conditions additionnelles et que les prescriptions recommandent d'utiliser la norme ISO7730 pour des bâtiments à régime quasi stationnaire scellés déconnectés de l'environnement extérieur et avec

un système de climatisation et de conditionnement d'air actif car les zones de confort de la norme sont basées sur des expériences en laboratoire et conviennent aux bâtiments climatisés où le les conditions thermiques sont statiques [35].

III-3-La Norme bioclimatique de Givoni

En 1963, Baruch Givoni a introduit le Bâtiment Bioclimatique Chart (BBCC) développé par Milne et Givoni 1979 basé sur la température intérieure attendue plutôt que les conditions extérieures. Givoni aborde la notion de confort thermique principalement d'un point de vue du bien-être de la personne. Il se base sur les différentes études effectuées sur le bilan thermique et les échanges entre le corps et son environnement et suggère afin de garantir une sensation de confort acceptable pour l'occupant, un maintien de la température dans une bande étroite indépendante des variations larges de l'environnement extérieur [36].

Avec un diagramme, Givoni démontre que l'application des stratégies passives dans un bâtiment peuvent diminuer significativement l'impact du changement de l'environnement extérieur tél que le changement de la température ou de l'humidité et donc réduire au minimum l'effet d'inconfort que peut provoquer ces fluctuations garantissant ainsi le confort de l'occupant [14]. En effet, il découpe le diagramme en plusieurs zones. La principale étant située au centre ou le confort est assuré sans intervenir sur le bâtiment et les zones restantes traduisent des situations où il est impératif selon Givoni d'élaborer des stratégies passives comme la ventilation, la déshumidification ou encore l'inertie afin de compenser le déséquilibre créé par le changement d'ambiance et sauvegarder les conditions de confort.

VI- ETUDE COMPARATIVE ET ANALYSE DES MODELES

Les conditions de confort sont ainsi identifiées en analysant les données obtenues. Malgré la maîtrise des aspects physiques et physiologiques du confort thermique, les chambres climatiques présentent certaines limitations en excluant les composantes psychologiques des mécanismes de régulation qui régissent le confort thermique. Les sujets doivent exécuter certaines tâches précises en subissant les conditions d'ambiance, leurs comportements restent limités aux consignes du protocole expérimental. La norme internationale NF ISO 7730 qui précise les conditions de confort thermiques dans les ambiances modérées, s'appuie sur des indices (PMV et PPD) déterminés à partir des études en chambres climatiques [12].

De Dear et Brager ont montré que dans les bâtiments à ventilation naturelle, l'indice PMV surestime la sensation de chaleur en été et la sous-estime en hiver [26]. Ce modèle ne parvient donc pas à déterminer les situations de confort dans ces conditions. Il reste cependant valide pour les bâtiments climatisés. Moujalled a confirmé ces résultats au cours de sa thèse en étudiant des bâtiments en France [50]. Candas, explique qu'en règle générale, les individus préfèrent avoir un peu plus chaud, ce qui veut dire que la sensation de confort serait atteinte pour PMV = + 0,5 cela décalerait la courbe et les zones de confort. De même, l'insatisfaction

ne varie pas symétriquement de part et d'autre du point central. Il semblerait que certaines personnes évaluent mal le chaud ou le froid tendrait à modifier également la courbe précédente [51].

Les enquêtes in situ visent à explorer le confort thermique auprès des sujets sur leurs lieux de vie ou de travail habituels à travers les mesures physiques de l'ambiance et les réponses perceptives et affectives des sujets. Les réponses recueillies in situ tiennent compte de la complexité du confort thermique en intégrant les différentes interactions qui régissent la relation entre l'homme et son environnement. L'analyse des données recueillies permet d'identifier les conditions qui ont été jugées confortables, ou même de développer des indices de confort thermiques empiriques tel que la température équivalente développée par Bedford ou l'indice d'été tropical de Sharma et Ali [49]. Mais la validité des résultats obtenus reste limitée au contexte, et aux conditions sous lesquelles les enquêtes ont été menées.

Pour cela il est nécessaire de multiplier les enquêtes sous différentes circonstances (climat, saison, type de bâtiment). Depuis, de nombreuses études ont été menées dans différentes régions et climats, et ont permis d'adopter, une nouvelle approche sur le confort thermique, l'approche adaptative [26].

Le confort adaptatif a été principalement modélisé par deux études. L'une est américaine et est réalisée par De Dear, Brager, et Cooper, dans le cadre du projet RP-884 de l'ASHRAE. Elle est aujourd'hui intégrée dans la norme américaine (ASHRAE standard 55) pour la définition du confort [52]. L'autre est européenne dans le cadre du projet SCAT's (Smart Control And Thermal Comfort) réalisée par McCartney et Fergus nicol. Elle est aujourd'hui à la base de la réglementation européenne EN 15251 [53]. Les deux réglementations font alors une différence de confort entre les bâtiments naturellement ventilés et ceux qui sont climatisés/chauffés [53]. Le climat extérieur conditionne beaucoup le comportement des individus. Ainsi en hiver, les individus sont plus vêtus et vont avoir tendance à manger plus chaud... Le confort adaptatif relie donc la température intérieure de confort à la température extérieure qui peut être modulée avec celle des jours précédents. BONTE, 2014, dans son état de l'art sur le confort adaptatif, montre qu'il existe de nombreuses études qui tentent de définir une température de confort sur la base de l'équation suivante [24].

Tc : Température intérieure de confort optimal, °C ? Text : Température extérieure, °C ?

L'équation ci-dessus n'est pas utilisée dans un contexte général, il est défini pour chaque pays en fonction du type de climat et ses influences en vue de définir la température de confort dans les bâtiments naturellement ventilés. L'objectif étant de réduire les dépenses énergétiques nécessaires au maintien d'une température constante dans les bâtiments.

Pour mener à bien notre étude il est important pour nous de s'attarder sur les conséquences de l'utilisation des différents modèles de confort introduit dans les différentes normes telles que la norme ISO7730, la norme américaine ASHRAE 55, la norme européenne EN 15251 ou encore le modèle de Givoni dans notre vie de tous les jours et en particulier dans la consommation d'énergie et dans notre façon de concevoir les bâtiments.

Dans la littérature scientifique, des ingénieurs et scientifiques se sont penchés sur le confort thermique et l'ont étudié sur ses différentes formes analytiques et adaptatives. Ils se sont aussi intéressés à évaluer leur efficacité sur la consommation d'énergie. C'est ainsi que nous pouvons citer les travaux de Henze [37] effectués dans un bâtiment de 5141m². Le cout éventuel de l'utilisation du modèle adaptatif (EN15251) et analytique (ISO7730) dans la gestion des températures de consigne ainsi que l'impact sur la consommation énergétique est étudié. Cette étude a mis en avant l'effet positif de l'adoption du modèle adaptatif (EN15251) sur la consommation d'énergie qui a diminué de façon significative la charge de refroidissement du bâtiment de 14% à 17% et la consommation globale de 6 à 7% par rapport à l'utilisation du modèle ISO7730 conformément à des stratégies d'exploitation classique (stratégie de pré-refroidissement et du night time setup).

Dans le même registre et pour les immeubles de bureaux, il a été constaté selon l'étude de [38] qu'il y'avait un gain d'énergie de l'ordre de 10% sur l'ensemble de l'année pour un bâtiment naturellement conditionné utilisant le modèle adaptatif en comparaison avec un immeuble de bureaux muni d'un système HVAC.

Les thèses établies par [39] sur base de résultats produits dans leur recherche intitulé « Evaluation of adaptive thermal comfort models in moderate climates and their impact on energy use in office builidings » convergent avec ceux vu précédemment dans le travail de [38] et tendent à les conforter et à les affirmer.

Tableau 6: Consommation d'énergie annuelle pour le chauffage et le refroidissement suivant les différents modèles de confort [10].

Norme	Modèle	Consommation annuelle en KWh/m²
ISO 7730	Analytique	58
ASHRAE 55	Adaptative	46
EN 15251	Adaptative	35
Bioclimatique	Adaptative	24

Conclusion

Dans ce chapitre, nous avons étudié le confort thermique et présenter les différentes méthodes d'analyse du confort thermique. Deux grandes visions se complètent, se côtoient et parfois s'affrontent. La première, développée par Fanger se base sur des expérimentations en laboratoire et considère que l'homme est passif face à son environnement et que l'équilibre de ce dernier est basé sur le bilan thermique prenant en compte six paramètres (4 environnementaux et 2 personnels). La deuxième développée grâce à des études et constatations sur terrain qui au contraire défend l'idée que le confort thermique est plus qu'un bilan et qu'un équilibre de masse. Mais qu'il existe d'autres paramètres d'ordre socioculturels, comportementales ou encore d'acclimatations qui aident et influencent chaque personne à trouver son propre équilibre car l'occupant est considéré comme actif et est dans la capacité à interagir et à contrôler son environnement immédiat. De ces approches découlent différentes normes qui ont chacune leur évaluation du confort et des températures intérieures acceptables. La norme ISO3370 qui se réfère au modèle de Fanger, la norme américaine ASHRAE55, européenne EN15251 et le modèle bioclimatique de Givoni se référant quant à eux au modèle adaptatif.

C'est dans ce contexte scientifique que ce travail et expérimentation a été mis en oeuvre. Dans la partie suivante, grâce à la simulation thermique dynamique, il sera présenté de manière concrète l'impact du modèle l'adaptatif (ASHRAE 55 pour notre étude) dans la zone tropicale.

INTRODUCTION

Ce chapitre expose tout d'abord le protocole expérimental général puis une description du bâtiment de référence utilisé pour ce travail, sa modélisation sur le logiciel de simulation Energyplus ainsi que le contexte sélectionné à travers les zones d'études représentées par différentes villes test.

I- PRESENTATION DU MODELE

Le travail est basé sur une succession de plusieurs phases et étapes afin d'aboutir à des résultats fiables et des conclusions robustes, cela passe en premier lieu par la sélection d'un cas d'étude à savoir un bâtiment sur lequel la simulation va être exercée. Le choix de villes représentatives du climat tropicale va être effectué au nombre de 02 dans notre travail.

A partir de ces premières étapes, une seconde phase va être entamée qui est celle de la modélisation sur le logiciel Energyplus et qui consistera à y introduire différentes données météorologiques pour les différentes villes, les températures de référence pour chaque modèle de confort ainsi que la matérialisation du bâtiment sélectionné.

La production des résultats se fera en dernière phase et cela en faisant varier les données climatiques caractérisant les 02 villes choisies, le logiciel nous créera de multiples données sur la consommation énergétique pour le refroidissement et le chauffage ainsi que d'autres éléments qui constitueront la base de notre réflexion et analyse.

Le schéma ci-après résume de manière globale la structure et le déroulement du travail qui va être réalise dans les parties suivantes du mémoire.

I-1 Données géométriques du bâtiment.

Pour représenter le climat tropical, le choix s'est fait sur les deux principales villes du Cameroun : Yaoundé et Douala compte tenu de leur taux d'urbanisation élevée, de l'activité économique prépondérante.

Les bâtiments rencontrés quoique de constructions classique se répartissent en deux groupes : les bâtiments anciens avec des murs très épais (25 à 30 cm), des toitures en amiante ciment avec faux-plafond et de grandes ouvertures ; et les bâtiments relativement modernes avec des murs en parpaings avec enduit ciment (15 à 20 cm), les toitures en dalle ou en bac aluminium avec faux-plafond en contre-plaqué. Le choix a été porté sur des bâtiments relativement modernes.

Le bâtiment de référence qui a été choisi pour notre étude est un bâtiment parallélépipédique de superficie de 48m² soit une longueur de 8m, une largeur de 6m et une hauteur de 2,70m. Le bâtiment est doté de deux fenêtres de 3m de hauteur et 2 m de largeur oriente l'une l'autre sur les deux murs cotés Est-Ouest du bâtiment. La porte de 1,10m de largeur et 2,10m de hauteur sur le mur côte Sud.

I-2 Modélisation du bâtiment

Afin de pouvoir évaluer l'impact du modèle de confort sur la consommation énergétique de ce bâtiment, L'encodage des différentes caractéristiques techniques du bâtiment de référence s'est fait sur le logiciel de simulation Energyplus. Les données techniques d'entrées ont été définies conformément et en accord avec la norme ASHRAE 90.1 2013 qui fixe suivant le type de bâtiment, son affectation et le contexte dans lequel il s'inscrit, les critères d'isolation, de ventilation, d'éclairage et toutes autres informations caractérisant l'enveloppe du bâtiment et ses divers équipements.

L'étape suivante permet de déterminer en détail les différentes compositions de parois, le taux d'occupation, les apports internes et tous les éléments qui influenceront le comportement

thermique du bâtiment et qui peuvent créer d'éventuelles erreurs dans nos calculs et fausser les résultats, cela a pu être réalisé et si on prend l'exemple de l'enveloppe du bâtiment qui est constituée des parois extérieures, en jouant sur le choix et les épaisseurs des matériaux utilisés afin d'atteindre la valeur du coefficient de transmission thermique « U » et par conséquent le critère de résistance thermique « R » fixé par la norme ASHRAE 90.1 2013.

La phase de traitement de données introduites dans le logiciel Energyplus inclus : la simulation de notre modèle et l'analyse thermique de ce dernier en ayant pour résultat la consommation d'énergie mensuelle pour le chauffage et le refroidissement, les températures opératives sur l'année et la variation du taux d'humidité pour chaque modèle de confort et dans chaque zone sélectionnée.

I-3 Propriétés et caractéristiques du modèle

Le bâtiment de référence pour notre étude est un assemblage de plusieurs matériaux associés selon la construction.

Ce bâtiment a été choisie en tenant compte du type de construction généralement rencontrés dans les villes test. Ces constructions sont classiques avec des murs en parpaings enduit ciment (15 à 20 cm), les toitures en dalles ou bac aluminium avec faux plafond en contreplaqué. Dans les villes de Yaoundé et Douala, les constructions sont généralement d'un à plusieurs niveaux et répondant aux normes de constructions thermique [48].

Les propriétés des matériaux dépendantes de la conductivité thermique, la densité et la capacité calorifique à pression constante données par les figures ci-dessous :

Figure 15 :propriétés des matériaux de construction du bâtiment de référence.

II- CHOIX DU CONTEXTE

Après la modélisation de notre bâtiment sur le logiciel Energyplus et après avoir introduit toutes les données caractéristiques du modèle et celle en relation avec son utilisation, on se penche sur le choix des zones ou la simulation sera effectuée.

II-1 Classification climatique de la zone tropicale

Dans l'optique de faire une identification précise des villes représentatives du climat tropical, nous nous sommes basés tout d'abord sur les classifications internationales qui sont reconnues et utilisées dans les différentes études et dans les différents domaines.

Parmi les classifications internationales fiables, celle de Koppen et d'ASHRAE sont au jour d'aujourd'hui les plus utilisées et admises par la communauté scientifique. Elles sont considérées comme étant les plus précises et qui traduisent au mieux la réalité, c'est ces deux classifications qu'on a prises comme référence dans notre travail pour identifier les villes à climat tropicale.

La classification de Koppen a été inventée en 1900 par le botaniste Wladinir Peter Koppen inspiré d'une part par la division du climat de Candolle en 5 zones et d'autre part par la carte de la végétation mondiale élaborée par Grisebach en 1866 [41] et est utilisée comme base pour identifier les différents climats mondiaux, elle a été plusieurs fois actualisée par ses successeurs en se basant sur l'observation réelle des milliers de données de station météorologiques à travers le globe et l'interpolation entre station plutôt que la subjectivité. Cela se traduit par une carte mondiale divisée en 30 climats différents constitués de 03 régions

tropicales, 09 à climat tempéré, 02 polaire, 04 considérés comme arides et 12 régions classées comme froides comme le démontre la Figure 18.

La classification se fait en fonction de la pluviométrie et des températures mensuelles durant l'année, les zones sont dénommées par une succession de symboles et plus précisément de lettres (au nombre de trois), chacune d'entre elles représente un élément en relation avec la météorologie, la première définit le type de climat, la seconde le régime pluviométrique et la dernière est en relation avec les températures et détermine plus particulièrement la variation de température. Le Tableau 8 résume ces différentes lettres et leur définition.

Tableau 8 : Description des lettres définissant les différents climats [41].

Avec ces critères et sur base de cette classification de Koppen mais aussi celle d'ASHRAE qui classifie elle aussi les climats en zones et prend des lettres et des chiffres comme symbole pour les définir, on a pu choisir nos 02 villes test qui représenteront les régions ou notre bâtiment de référence sera situé et pouvoir au final introduire les différentes données météorologiques pour réaliser notre simulation.

Notons que tous les fichiers climatiques utilisés pour notre simulation thermique dans le logiciel Energyplus sont extraits du logiciel de donnée météorologique TMY2 qui nous fournit les températures, l'irradiation, les précipitations et d'autres données météorologiques et climatiques qui sont essentielles pour pouvoir réaliser notre simulation et mener à bien notre travail.

II-2 Sélection des villes de test

Comme mentionné précédemment, les villes qui ont été choisies pour représenter le climat tropical sont celles de Yaoundé et Douala et cela à cause de leurs spécificités qui s'associent toutes à un climat considéré comme tropical par les classifications à la fois de Koppen et d'ASHRAE. Nous allons à présent les situer géographiquement, les classifier plus précisément et présenter leurs divers aspects en fonction des caractéristiques météorologiques.

II-2-1 Yaoundé (Cameroun)

II-2-2 Douala (Cameroun)

Le climat dominant de douala connu pour être de type tropical. Les précipitations en douala sont significatives, avec des précipitations même pendant le mois le plus sec. D'après Koppen et Geiger, le climat y est classe Af. En moyenne la température à douala est de 25,7 degrés Celsius. La moyenne des précipitations annuelles atteints 3174mm.

82mm font du mois de janvier le mois le plus sec de l'année. Le mois d'octobre, avec une variation moyenne de 377mm, affiche les précipitations les plus importantes.

26,9 degrés Celsius font du mois de février le mois le plus chaud de l'année. Au mois d'aout, la température moyenne est de 24,4 degrés Celsius. Aout est le mois le plus froid de l'année. Entre le plus sec et le plus humide des mois, l'amplitude de précipitations est de 295mm. Une variation de 2,5 degrés Celsius est enregistré sur l'année.

Nous avons utilisé plusieurs logiciels pour les différentes simulations et le tracé des courbes à savoir :

? Energyplus V8-7 qui est un programme de modélisation et simulation d'énergie

et DXF, des formats de fichiers spécifiques générés par les logiciels de CAO.

? Excel 2016 qui nous a permis de traiter les données numériques et de tracer les

Marque de l'ordinateur : LAPTOP HP ProBook 6470b Nom de l'ordinateur : Horsepower HP

Type de système d'exploitation : système d'exploitation 64 bits, processeur x64 Processeur : Intel(R) Core (TM) i5-3360M CPU @ 2.80GHz (4CPUs), ~2.8GHz RAM : Mémoire installée 6,00 Go

Deux moyens de transfert de chaleur sont utilisés par Energyplus pour le calcul de la température opérative (température ressentie). Le transfert de chaleur par conduction et le transfert de chaleur par rayonnement. Les équations utilisées par le logiciel Energyplus Pour le calcul de la température opérative peuvent s'écrire :

á : Coefficient dépendant de la vitesse de l'air (á = 0.5 + 0.25*Va) Tableau 9 : valeurs du facteur á

Notons que si la vitesse de l'air est inférieure à 0.2m/s, la température opérative (Top) peut être exprimée comme suit :

Conclusion

On n'a pu voir dans ce chapitre les méthodes de modélisation et résolution ainsi que les matériels utilisés pour l'étude. Dans le chapitre 3, il sera question de présenter, analyser et interpréter les résultats obtenus.

INTRODUCTION

Dans ce chapitre nous présentons les principaux résultats obtenus et éventuelle réponses à nos questions pour pouvoir répondre à notre problématique de ressortir les résultats des différentes simulations effectuer sur le logiciel Energyplus concernant les températures de confort intérieur, la température de l'air, celle des murs obtenus. Nous allons présenter et essayer de rassembler en catégories et en extraire les schémas ou les graphiques les plus pertinent à approfondir dans la partir analyse de notre travail.

I- DISTRIBUTION DE TEMPERATURES

Parmi les quantités d'éléments qui ont été produits dans notre travail, les températures intérieures obtenues avec l'application des seuils de modèle de confort dans chaque ville sont les plus intéressantes à regarder en premier car le confort intérieur passe principalement par les températures opératives que peut fournir l'adoption de chaque modèle à notre bâtiment, c'est ces températures qui offrent essentiellement aux occupants. Soit une sensation de confort et de bien-être ou au contraire vont être considérées comme froide ou chaude et dans ce cas seront la cause d'un inconfort.

Figure 25 : Distribution de la température opérative pour les villes de Yaoundé et Douala.

Figure 26 : Distribution de l'humidité relative de l'air pour les villes de Yaoundé et Douala.

Figure 27 : Distribution des températures moyenne radiante de l'air pour les villes de Yaoundé et Douala.

Figure 28 : Distribution des températures de l'air pour les villes e Yaoundé et Douala.

II- EVALUATION DES RESULTATS OBTENUS AVEC LES

II-1 Prédiction de la norme ASHRAE 55

Cette norme recommande pour l'été (saison sèche) des températures ambiantes comprises entre 22,6 et 26 °C à l'intérieur de cette marge, elle prédit que le pourcentage de personnes insatisfaites ne dépassera pas 20 %. En saison pluvieuse, la normes ASHRAE 55 recommande une température opérative comprise entre 20 et 24 °C. L'humidité relative ne doit pas dépasser 70 % à 22,6 °C de température ambiante, et 60 % à 26 °C [45].

Les résultats sont regroupés selon les critères de confort. -Température opérative.

Tableau 10 : température opérative de chaque villes en fonction des critères de la norme ASHRAE 55.

	Yaoundé	Douala	Critères de confort ASHRAE 55
	Température opérative	Température opérative	Température opérative
Saison sèche (summer)	ToMin = 23,37°C ToMax = 24,80°C	ToMin =23,99°C ToMax =24,75°C	22,6°C < TO < 26 °C
Saison pluvieuse (winter)	ToMin = 21,33°C ToMax = 23,88°C	Tomin = 21,44°C ToMax = 24,23°C	20°C < TO < 24 °C

Les plages de températures opératives obtenus pour la ville de Yaoundé sont en accord avec les recommandations de la norme ASHRAE 55. A douala par contre la température opérative maximale pendant la saison pluvieuse est de 24,23°C (mois de mars). Cette température est supérieure à la limite recommandée par la norme ASHRAE 55.

Selon la norme ASHRAE 55, L'humidité relative ne doit pas dépasser 70 % à 22,6 °C de température ambiante, et 60 % à 26 °C

Les graphes de la figure 29 présentent pour chaque ville le pourcentage d'humidité en fonction de la température opérative de chaque mois. On peut constater que les résultats sont accords avec les recommandations de la norme 55.

Figure 29 : Distribution de la température opérative couplée à l'humidité relative de l'air. -Ecart entre la température de l'air et la température moyenne radiante

D'après les recommandations de l'ASHRAE 55, un écart de 3°C entre la température de l'air et la température moyenne radiante peut causer une situation d'inconfort.

Figure 30 : Ecart entre la température de l'air (Ta) et la température moyenne radiante(Tmr).

SURFACE NORTH:Surface Inside Face Temperature [C] SURFACE EAST:Surface Inside Face Temperature [C] SURFACE SOUTH:Surface Inside Face Temperature [C] SURFACE WEST:Surface Inside Face Temperature [C] Air Temperature [C]

Figure 31 :Différence de température entre la température des murs et la température de l'air

Kemadjou et al (2010) ont réalisés une enquête in situ en zone tropicale dans les villes de Yaoundé et Douala durant la période du 25 janvier au 03 mars 2010. Correspondant a la saison sèche (période chaude) en climat tropicale. Cette enquête a été faite avec un échantillon de 293 personnes dans des bâtiments relativement conformes à la règlementation.

Les résultats obtenus sont sensiblement identiques dans chaque ville. En utilisant l'équation de régression linéaire développé en zone tropicale après l'enquête, on obtient comme température opérative à Yaoundé : 24,28°C, à Douala ; 24,36°C.

En appliquant les limites imposées par l'ASHRAE 55 pour mener l'enquête, il semble que les températures de 23,28°C à 27,21°C pour la ville de Yaoundé, 24°C à 28,13°C à Douala soient satisfaisante pour les habitants des deux villes. Ce qui remet en question la prédiction de cette norme. Les résultats de cette enquête permettent de proposer une plus grande plage de température à imposer.

Ce résultat pourrait s'expliquer par le phénomène adaptatif des sujets enquêtés vivant en zone chaude qui supportent les ambiances à températures plus élevées que celles prédites par les normes internationales. En outre, ces résultats doivent être confirmés par une enquête dans les ambiances similaires avec un nombre d'échantillon plus important.

III-1 Comparaison avec d'autres études

Comparativement aux autres études en climat tropical, notamment celles de Mourtada et al. (1990) en Côte d'Ivoire, To = 24,5 °C et Bursh et al. To = 25 °C [46- 47]. On peut affirmer que la température opérative de cette étude se classe en bonne marge.

IV- CONSOMMATION ENERGETIQUE

Dans cette partie, les résultats présentés sont ceux de la consommation d'énergie pour le refroidissement et le chauffage dans chacune des villes en appliquant le modèles de confort adaptatif (ASHRAE 55).

Figure 32 : Consommation mensuelle d'énergie pour le chauffage et le refroidissement.

Ici le post de consommation prépondérant pour atteindre les critères de confort est celui du refroidissement. Cela est tout à fait normal vu que l'étude est réalisée dans des zones avec des températures chaudes la plupart du temps, cependant des disparités se créent suivant les villes mais aussi suivant les périodes de l'année. Pour ce type de climat la consommation atteint son maximum dans les périodes les plus chaudes même s'il est important de souligner que pour le cas de Douala la consommation pour le refroidissement est plus importante que celle de Yaoundé ce qui est compréhensible vu la distribution des températures extérieures plus élevées.

Au vu de l'analyse faite entre les températures de confort obtenu à la figure 25 et celle de l'enquête in situ de Kemadjou (2010), il est clair que le modèle ASHRAE 55 implique une consommation énergétique au-dessus de celle que peut prévoir les résultats de l'enquête in situ.

Conclusion

Dans cette partie du travail où il était question pour nous de commenter et interpréter les différents résultats obtenus après applications des recommandations de la norme ASHRAE 55. Il en ressort que la norme ASHRAE 55 n'estime pas normalement la plage de confort acceptable par les habitants de la zone tropicale.

CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVE

L'objectif de ce mémoire a consisté à étudier l'impact des modèles de confort sur la consommation énergétique des bâtiments en zone tropicale, en étudiant l'influence des différents modèles de confort dans le bâtiment (ambiances intérieurs) et comment intégrer le concept bioclimatique afin d'adopter des solutions aux exigences du confort thermique et réduire la consommation énergétique.

Afin d'atteindre cet objectif il a et nécessaire au premier chapitre de faire une revue de littérature sur les généralités sur le confort thermique, ce qui nous a permis de mieux appréhender la notion de confort thermique, les principaux facteurs influençant le confort thermique (la température de l'air, la vitesse de l'air, l'humidité relative et la température moyenne radiante). Dans ce chapitre, les différentes approches du confort thermique ont été étudié : l'approche analytique (statique) développée dans des chambres climatique et l'approche adaptative qui comme une amélioration a l'approche analytique prend en compte l'influence de l'occupant dans l'élaboration des conditions de confort avec les paramètres propres à l'occupant (le métabolisme et l'habillement). Après une étude comparative (analyse critique) entre les différents modèles de confort, il s'est avéré que le modèle adaptatif régis par la norme ASHRAE 55 était celui le mieux adapter pour mener l'étude en zone tropicale.

Dans la deuxième partie, la présentation des données géométriques, propriétés et caractéristique des matériaux constitutifs du bâtiment sélectionné pour l'étude a été faite suivie de l'encodages dans le logiciel de simulation thermique Energyplus des donnes climatiques de chaque ville.

Les distributions des températures opératives, humidité relative et autres résultats obtenus après application des recommandations de la normes ASHRAE 55 ont permis d'observer de manière concrète l'impact du modèle de confort sur la consommation énergétique du bâtiment pour les villes de Yaoundé et Douala. Ces résultats bien qu'en accord avec les prévisions de la norme, sont remis en question par plusieurs études réalisées en condition réelles (in situ) en climat tropical. C'est le cas des travaux de kemadjou & al (2010) qui montre que la norme n'estime pas normalement la plage de confort acceptable par les habitants de la zone tropicale ce qui s'explique par l'adaptabilité et le niveau d'exigence des habitants de la zone tropicale car il s'avéré que ceux-ci peuvent résister à des températures ambiantes allant jusqu'à 28°C soit 2°C de plus que celle prévus par la norme. Cette différence implique un coût

énergétique et des émissions de GES considérable et pas nécessaire au maintien du confort thermique dans l'habitat.

Nous avons constaté que les modèles de confort thermique ont un impact significatif sur la consommation d'énergie dans les bâtiments en zone tropicale. Certains modèles peuvent sous-estimer ou surestimer la consommation d'énergie des bâtiments dans ces régions, ce qui peut entrainer des erreurs de conceptions et des coûts énergétiques plus élevés. Cependant il existe des stratégies pour réduire la consommation d'énergie des bâtiments en zone tropicale, telle que l'utilisation de matériaux et de technologies de construction efficaces sur le plan énergétique, l'optimisation de la conception des bâtiments pour maximiser la ventilation naturelle, et la mise en place de système de refroidissement climatique.

Pour l'avenir de la recherche sur ce sujet, tout d'abord, il serait intéressant de :

- Réaménager les normes ergonomiques internationales à des situations en climat tropicaux. - Etudier les effets économiques et environnementaux à long terme de l'utilisation de

modèles de confort plus efficaces sur les couts de fonctionnement et les émissions de GES

- Étudier l'impact des changements climatiques sur le confort thermique en zone tropicale.

Etude de l'impact des modèles de confort sur la consommation énergétique des bà¢timents en zone tropicale

RESUME

ABSTRACT

INTRODUCTION GENERALE

INTRODUCTION

I-GENERALITE SUR LE CONFORT THERMIQUE

I-1-Definition

I-2-Semantique du confort thermique

I-2-1-Facteur physiologique

I-2-2-Facteur physique

I-2-3-Facteur psychologique

II-DIFFERENTES APPROCHES DU CONFORT

II-1-La méthode Analytique : FANGER

II-2-L'approche adaptative

III-LES NORMES DU CONFORT THERMIQUE

III-1-La Norme ASHRAE 55

III-2-La Norme EN 15251

III-3-La Norme ISO7730

III-3-La Norme bioclimatique de Givoni

VI- ETUDE COMPARATIVE ET ANALYSE DES MODELES

Conclusion

INTRODUCTION

I- PRESENTATION DU MODELE

I-1 Données géométriques du bâtiment.

I-2 Modélisation du bâtiment

I-3 Propriétés et caractéristiques du modèle

II- CHOIX DU CONTEXTE

II-1 Classification climatique de la zone tropicale

II-2 Sélection des villes de test

II-2-1 Yaoundé (Cameroun)

II-2-2 Douala (Cameroun)

Conclusion

INTRODUCTION

I- DISTRIBUTION DE TEMPERATURES

II- EVALUATION DES RESULTATS OBTENUS AVEC LES

II-1 Prédiction de la norme ASHRAE 55

III-1 Comparaison avec d'autres études

IV- CONSOMMATION ENERGETIQUE

Conclusion

CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVE

BIBLIOGRAPHIE