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Theses Year : 2019

Numerical methods for predicting heat and moisture transfer through porous building materials

Méthodes numériques pour la prédiction des transferts de chaleur et de masse dans les matériaux poreux du bâtiment

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Abstract

Building energy consumption is directly impacted by weather parameters such as temperature, solar radiation, atmospheric pressure, relative humidity and wind velocity. The knowledge of the building hygrothermal performance enables the design of energy efficient buildings and the prediction of overall durability and sustainability of envelopes. Therefore, designers and builders are interested in modeling the long-term performance of the envelopes by means of accurate, reliable and fast simulation tools.Several numerical models have been proposed in the literature to study the heat and moisture transfer in building materials. In general, this problem is solved by traditional methods, such as finite-difference and finite-volume methods, using mainly implicit schemes. Nevertheless, these methods impose costly sub-iterations to treat the nonlinearities and very fine discretization, which increase substantially the simulation computational cost. Therefore, this research has been focused on the development and analyses of numerical methods for efficiently simulate the problem of heat and mass transfer through porous materials.In the first part of this thesis, improved schemes of the traditional numerical methods have been developed to eliminate costly sub-iterations to treat nonlinearities, to improve the order of accuracy and to save computer run time. Despite the great progress with the new numerical schemes, the conclusion of the first part shows that we still have to deal with large systems of equations, particularly when treating multi-dimensional transfer problems. For this reason, to reduce even more the computational burden and the size of the system, a reduced-order model, based on spectral methods is proposed in the sequence to provide an accurate description of the physical phenomena. The degrees of freedom of the solution is strongly decreased while maintaining the model fidelity. It ensures a computational cost much lower than the complete original model.All these methods are applied to problems related to building physics, such as single and multilayer nonlinear transfer, the determination of optimum insulation thickness, the process of moisture buffer effects and transfer in one- or two-zone building models. In conclusion, we show how to build efficient numerical models, in terms of computational cost and accuracy, to investigate the heat and mass transfer in porous materials.
La consommation énergétique des bâtiments est directement impactée par les variables climatiques et en particulier par la température, la radiation solaire, la pression atmosphérique, l’humidité relative et la vitesse du vent. La maîtrise de la performance hygrothermique des bâtiments permet la conception d’ouvrage à faible consommation énergétique intégrant des enveloppes durables et dépourvues de risques de pathologies liées à l’humidité. Ainsi, les architectes et constructeurs nécessitent de disposer d’outils, pour simuler les performances de l’enveloppe sur le long terme, qui reposent sur des modèles précis, fiables et rapides.Plusieurs modèles ont été proposés dans la littérature pour investiguer les transferts de chaleur et de masse dans les matériaux poreux composant les bâtiments. Généralement, les équations régissant les phénomènes sont résolues en employant des méthodes conventionnelles basées sur les différences finies ou les volumes finis combinés avec des schémas temporels implicites. Cependant, ces méthodes imposent des sous-itérations, coûteuses en temps de calculs, pour traiter les non linéarités du problème. De plus, elles exigent des discrétisations très fines qui augmentent significativement les temps de calcul des simulations. Par conséquent, ces travaux de recherches se concentrent sur le développement et l’analyse de méthodes numériques pour simuler de manière efficiente les problèmes de transferts de chaleur et de masse dans les matériaux poreux.Dans la première partie de cette thèse, des schémas améliorés par rapport aux approches traditionnelles sont proposés pour éliminer les sous-itérations coûteuses pour traiter les non linéarités, pour améliorer l’ordre de précision et pour diminuer les temps de calculs. Nonobstant les progrès réalisés avec les nouveaux schémas numériques, les conclusions de cette première partie montrent que nous manipulons toujours des systèmes d’équations de grandes dimensions, en particulier lorsqu’il s’agit de problèmes de transferts multidimensionnels. Pour cette raison, afin de diminuer d’avantage les coûts de calcul et la taille du modèle, un modèle d’ordre réduit basé sur les méthodes spectrales est proposé subséquemment. Il garantit une prédiction précise des phénomènes physiques. De plus, le degré de liberté de la solution est fortement réduit tout en préservant la fidélité du modèle. Le coût de calcul est nettement inférieur à celui du modèle complet originel.L’ensemble de ces méthodes sont appliquées à des problèmes relatifs aux phénomènes physiques intervenant dans les bâtiments, tels que les transferts mono ou multi-couches, la recherche de l’épaisseur optimale d’isolation, les mécanismes de tampons hygroscopiques ou encore les transferts à l’échelle de bâtiments mono- ou bi-zones. En conclusion, nous démontrons comment construire des modèles numériques efficaces, en termes de temps de calculs et précision, pour l’investigation des transferts de chaleur et de masse dans les matériaux poreux.
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tel-02946569 , version 1 (23-09-2020)

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  • HAL Id : tel-02946569 , version 1

Cite

Suelen Gasparin. Numerical methods for predicting heat and moisture transfer through porous building materials. Mathematical Physics [math-ph]. Université Grenoble Alpes; Pontifícia universidade católica do Paraná, 2019. Portuguese. ⟨NNT : 2019GREAM077⟩. ⟨tel-02946569⟩
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