Principes fondamentaux de l'humidité et son impact sur la qualité de l'air intérieur

La qualité de l'air intérieur (QAI) est une préoccupation multidimensionnelle qui affecte directement la santé, le confort et la productivité de l'homme. Parmi les nombreux facteurs qui influencent la QAI, l'humidité se distingue par sa complexité. L'humidité régit non seulement le confort thermique, mais aussi la survie et la prolifération de contaminants biologiques tels que les moisissures, les bactéries et les acariens.

L'humidité relative mesure la quantité de vapeur d'eau dans l'air par rapport à la quantité maximale que l'air peut contenir à une température donnée, tandis que l'humidité absolue est la masse de vapeur d'eau par unité de volume d'air. Des niveaux élevés de RH – plus élevés de 60 à 70 % – peuvent favoriser la condensation sur les surfaces froides, entraînant l'humidité et la croissance des moisissures. Inversement, des niveaux faibles de RH – moins de 30 à 40 % – peuvent sécher les muqueuses, augmenter le risque d'infections respiratoires et entraîner une accumulation statique d'électricité.

La gestion de l'humidité ne consiste pas simplement à ajouter ou à éliminer l'humidité, mais à intégrer soigneusement les vitesses de ventilation, les modes de distribution de l'air, le contrôle de la température et souvent les équipements de déshumidification ou d'humidification. C'est là que la dynamique des fluides (CFD) devient un outil inestimable.

Le rôle de la dynamique des fluides informatiques dans l'analyse de la QAI

La dynamique des fluides calculateurs utilise des méthodes numériques pour résoudre les équations de régulation du flux de fluides, à savoir les équations Navier-Stokes pour l'impulsion, l'équation de continuité pour la masse et l'équation d'énergie pour le transfert de chaleur. Pour la modélisation de l'humidité, une équation de transport d'espèces supplémentaires est résolue pour suivre la concentration de vapeur d'eau.

Lorsqu'elles sont appliquées aux études de QAI, les simulations de CFD peuvent répondre à des questions telles que : Comment la position des diffuseurs d'alimentation affecte-t-elle la distribution de l'humidité? La condensation se forme-t-elle sur les surfaces des fenêtres froides? Les habitudes d'occupation et les sources internes d'humidité (personnes, cuisines, plantes) influencent-elles les niveaux d'humidité locaux?

Mécanismes physiques clés dans la modélisation de l'humidité

Le transport de l'humidité dans l'air intérieur implique plusieurs mécanismes physiques qui doivent être représentés avec précision dans un modèle CFD. Les principaux mécanismes sont l'advection (mouvement de l'air en vrac transportant de la vapeur d'eau), la diffusion (dégradations de concentration du transport moléculaire vers le bas) et le changement de phase (évaporation ou condensation de l'eau).

Espèce Transport pour Vapor Eau

Dans l'ANSYS Fluent, la vapeur d'eau est traitée comme une espèce scalaire passive transportée par l'air. L'utilisateur spécifie la fraction de masse de vapeur d'eau aux entrées, ou bien l'humidité relative et la température, à partir de laquelle Fluent calcule la fraction de masse. L'équation de transport de l'espèce comprend les termes de convection, de diffusion et de tout terme de source défini par l'utilisateur (p. ex., l'ajout d'humidité par les occupants). Le coefficient de diffusion de la vapeur d'eau dans l'air peut être défini comme une constante ou calculé selon la théorie cinétique.

Modélisation de la condensation et de l'évaporation

Dans le CFD, on peut modéliser cette dernière en imposant une condition limite qui fixe la concentration de vapeur d'eau à la valeur saturée à la température de surface (qui entraîne un flux d'humidité diffuse vers la paroi) ou en utilisant des modèles de films muraux eulériens plus sophistiqués. ANSYS Fluent comprend un modèle de condensation et d'évaporation intégré qui suit l'épaisseur du film et le transfert de chaleur, ce qui est particulièrement utile pour analyser la condensation ou la performance de la bobine de refroidissement de la fenêtre.

La turbulence et son impact sur la dispersion de l'humidité

Les flux d'air intérieur sont presque toujours turbulents, même à faible vitesse, en raison des obstructions, des panaches thermiques et des jets diffuseurs. La turbulence améliore le mélange et accélère la dispersion de l'humidité. ANSYS Fluent offre une gamme de modèles de turbulences adaptés aux flux intérieurs, du modèle standard k-ε (adapté pour de nombreux espaces bien mélangés) aux modèles réalisables k-ε et SST k---- pour une meilleure précision dans les régions à forte séparation ou flottabilité. La simulation de grande taille peut fournir la plus haute fidélité, mais est calculablement coûteuse et généralement réservée aux études de recherche ou de validation.

Configuration d'une simulation d'humidité dans Ansys Fluent

Un flux de travail de simulation bien structuré est essentiel pour générer des résultats significatifs. Les étapes suivantes décrivent une méthodologie typique pour modéliser l'humidité dans les espaces intérieurs en utilisant AnsYS Fluent.

1. Géométrie et génération de mailles

La première tâche consiste à créer une géométrie computationnelle qui représente avec précision l'espace intérieur, y compris les murs, les fenêtres, les meubles et les composants CVC. Le modèle ANSYS ou SpaceClaim peut être utilisé à cette fin. Le maillage – la discrétisation de la géométrie en cellules – doit être suffisamment fin pour résoudre les couches limites près des murs et des diffuseurs, où les gradients de vitesse, de température et d'humidité sont les plus importants. Les mailles hybrides combinant les couches tétraédriques et prismes sont courantes. Une étude d'indépendance du maillage devrait être réalisée pour s'assurer que la solution ne change pas de façon significative avec plus de raffinement.

2. Établissement des conditions de délimitation

Les conditions de bordure définissent les sources d'air et d'humidité et les puits.

  • Inlet (entrée de vitesse ou entrée de débit massique): Spécifier la vitesse, la température et la fraction de masse de vapeur d'eau (ou humidité relative) dans les diffuseurs d'alimentation.
  • Outlet (pression de sortie)[: Appliquer la pression ambiante; les conditions de retour d'eau doivent être réglées avec une température et une humidité représentatives pour éviter les problèmes de convergence.
  • Taille: Attribuer les conditions de limite thermique (température fixe ou flux thermique) et les conditions de limite d'humidité (flux zéro pour les surfaces non condensées, ou condition de saturation pour la condensation).
  • Sources internes de chaleur et d'humidité[: Utiliser des termes de source volumétrique ou des fonctions définies par l'utilisateur pour représenter la production de chaleur et d'humidité des occupants, de l'équipement ou de l'éclairage.

3. Sélection des modèles physiques

Dans le modèle de turbulences ANSYS Fluent, activez l'équation énergétique et le modèle de transport des espèces. Sélectionnez le modèle de turbulence approprié (p. ex., le k-ε réalisable avec traitement mural amélioré). Si la condensation ou l'évaporation est attendue, activez le modèle de film mural eulérien ou le modèle de condensation/évaporation intégré dans des options multiphasées.

4. Paramètres du solvant et convergence

Pour les simulations transitoires, l'algorithme PISO est recommandé. Réglez soigneusement les facteurs de sous-relaxation – les valeurs typiques de la fraction masse des espèces d'humidité peuvent devoir être réduites à 0,7–0,9 pour éviter les oscillations. Les critères de convergence devraient être basés sur des résidus à échelle (1e-4 pour la continuité et l'élan, 1e-6 pour l'énergie et les espèces) et sur la surveillance de quantités intégrées telles que l'humidité moyenne dans la pièce ou le taux de condensation.

5. Traitement et analyse postérieurs à la mise en œuvre

Une fois la solution convergente, les outils de post-traitement (ou CFD-Post) d'ANSYS Fluent® peuvent générer des courbes de l'humidité relative, de la température et de la vitesse de l'air sur les plans d'intérêt. Les fluidités et les lignes de cheminement permettent de visualiser le profil de l'air et le transport de l'humidité. Des quantités telles que la RH moyenne dans la zone occupée, le pourcentage de surface supérieure à 70 % HR et le flux de masse de condensation sur les surfaces froides peuvent être extraites pour comparaison quantitative.

Exemple d'application : Optimisation de la ventilation dans une salle de conférence du Bureau

Considérez une salle de conférence typique de 8 m × 6 m × 3 m avec un système de ventilation par mélange au plafond. La salle est occupée par 12 personnes, chacune générant environ 75 W de chaleur sensible et 55 g/h d'humidité (principalement par respiration et transpiration).Un mur extérieur avec une grande fenêtre connaît des températures extérieures et peut atteindre des températures de surface aussi basses que 14°C en hiver, bien en dessous du point de rosée intérieure. Sans conception de ventilation appropriée, la condensation se forme sur la fenêtre, entraînant des dommages à l'eau et la croissance des moisissures.

La simulation CFD est réalisée selon la méthode décrite ci-dessus. Les diffuseurs d'alimentation produisent 150 L/s d'air à 18°C et 50 % de HR. Les gaz d'échappement sont situés près du plafond sur la paroi opposée. Le modèle de turbulence est réalisable k-ε, et la fraction de masse d'espèce de vapeur d'eau est résolue. La figure 1 montre la distribution de l'humidité relative prévue à une hauteur de 1,2 m (zone de respiration occupée).

En utilisant les données de simulation, l'ingénieur modifie la conception : un vitrage chauffé est spécifié pour maintenir la surface de la fenêtre au-dessus de 16°C, et un petit diffuseur supplémentaire est ajouté à l'air d'alimentation en séchoir direct le long de la fenêtre. La simulation révisée montre que le taux de condensation tombe à des niveaux négligeables et que la distribution d'humidité devient plus uniforme, tous les emplacements occupés de la zone demeurant en dessous de 60% HR. La pénalité énergétique pour le chauffage du vitrage est compensée par une légère réduction du débit total d'air de ventilation, car l'amélioration de la distribution permet la même performance de la QAI avec moins d'air extérieur.

Considérations avancées et techniques de modélisation

Pour des applications plus complexes ou à fort débit, des capacités de modélisation supplémentaires peuvent être utilisées.

Modélisation multiphase pour brouillard ou brouillard

Lorsque l'air devient supersaturé (par exemple dans les douches, les piscines ou les processus d'humidification industrielle), la vapeur d'eau peut se condenser dans un brouillard de fines gouttelettes. Le modèle de film mural eulérien ne tient pas compte des gouttelettes aéroportées. Dans de tels cas, un modèle multiphasé complet comme le modèle de phase discrète eulérien-eulérien ou lagrangien (DPM) est nécessaire. Le DPM suit les trajectoires de particules individuelles et peut modéliser l'évaporation des gouttelettes, la coalescence et l'impingement mural.

Couplage avec simulation d'énergie de bâtiment (BES)

Les modèles CFD simulent généralement le domaine de l'air à haute résolution spatiale mais pendant de courtes périodes. Pour analyser les performances saisonnières ou annuelles, CFD peut être couplé à un outil de simulation de l'énergie du bâtiment comme EnergyPlus ou TRNSYS. L'outil BES fournit des conditions limites (températures du mur, calendriers de ventilation, gains internes) au modèle CFD, qui renvoie des coefficients de transfert de chaleur et de masse raffinés.

Utilisation des fonctions définies par l'utilisateur (FDU)

Pour la QAI, un FDU pourrait modéliser l'effet tamponnant l'humidité des matériaux poreux (p. ex., la planche à gypse, le bois), qui absorbent et libèrent l'humidité en fonction de l'humidité locale. Un autre FDU pourrait mettre en place un indice de risque de croissance de moisissure qui est calculé à chaque face du mur et enregistré au fil du temps. Bien que complexe à écrire et à valider, les FDU élargissent la portée des modèles standard de FDU pour répondre aux besoins spécifiques de la recherche.

Avantages et limites de la DFC pour la modélisation de l'humidité

Les avantages de l'utilisation de CFD pour la conception de la QAI ont été amplement démontrés : haute résolution spatiale, capacité de tester de nombreuses variantes de conception, prédiction simultanée des champs thermiques et d'humidité et visualisation du risque de condensation. Cependant, les praticiens doivent aussi reconnaître les limites. Les simulations de CFD nécessitent des ressources informatiques importantes – une simulation à l'état d'équilibre unique d'une pièce de taille moyenne peut prendre des heures sur un poste de travail à haute performance et des simulations transitoires peuvent durer des jours. La précision des résultats dépend fortement de la qualité du maillage, de la pertinence des modèles de turbulence et de transport des espèces, et de la fidélité des conditions de limite.

De plus, la FCD ne remplace pas les mesures physiques lorsque la précision est élevée, comme la mise en service des systèmes CVC. Elle est mieux utilisée comme outil de conception et d'optimisation, en informant les décisions qui sont ensuite vérifiées par des mesures ponctuelles et des essais de mise en service.

Ressources externes et lectures complémentaires

Pour ceux qui souhaitent approfondir leur compréhension de la modélisation de l'humidité et de la QAI, les ressources suivantes sont recommandées :

En tirant parti d'outils évolués de la CFD comme l'ANSYS Fluent, les ingénieurs peuvent dépasser les hypothèses simplistes et développer des conceptions robustes et fondées sur des données probantes pour les environnements intérieurs qui favorisent la santé, le confort et la durabilité.