STM-ING-04-Outils de simulations numériques (thermique)

ue-a-stm-ing-04
Architecture & Ingénierie

Semestre : 4

Responsable(s) du contenu pédagogique

Lazaros MAVROMATIDIS
Christophe TOUET
Alexandre GRUTTER

Total coefficient : 1

Total heures : 15 (15 TD)

Total heures travail personnel : 10

Prérequis

Pedagogical Director: Lazaros Mavromatidis

- Basic notions of English (since the TD studio is held in English).
- Basic notions of Heat Transfer Theory and Building Thermal Analysis

Objectif

The main objective of the TD sessions consists on familiarizing the student with dynamic building thermal simulation. The aim of this course is to sensibilize students of architecture on Climate Responsive Design (or alternatively named Building Climatology) through the use of a variety of software. Hence, students of architecture will develop a scientific methodology regarding the definition of accurate simulation protocols regarding a given architectural project. Then, they will learn how to modelize a building in order to contact thermal simulation starting from the building enveloppe to the whole building. A synergy between the output of each software will be established in order to adequately interpret the environmental impact of the architectural design.

Compétences attendues

Axe A1 : CONNAISSANCES ET COMPRÉHENSION
Capacité à mettre en place un raisonnement scientifique rigoureux. Capacité à mobiliser les ressources d'un large champ de sciences fondamentales.
- Connaître et expliquer les concepts théoriques relatifs à un large champ de sciences fondamentales
- Formaliser un problème à l'aide d'outils analytiques ou numériques
- Être capable de résoudre un problème scientifique à l'aide de méthodes analytiques ou numériques
- Identifier et exploiter les interactions entre des champs de sciences fondamentales connexes
- Être capable de transposer les connaissances scientifiques dans le domaine de la spécialité

Axe A2 : ANALYSE TECHNIQUE
Capacité à mobiliser les ressources dans le domaine de la spécialité. Mettre en œuvre des connaissances techniques multidisciplinaires pour résoudre des problèmes d'ingénierie.
- Identifier un problème, le reformuler
- Déterminer les leviers d'actions permettant de résoudre un problème
- Identifier et comparer des méthodes de résolutions potentielles
- Choisir une méthode de résolution adaptée au problème et en évaluer l'efficacité

Axe A3 : CONCEPTION TECHNIQUE
Capacité à mobiliser ou à développer des nouvelles méthodes de conception afin de concevoir des produits, des processus et des systèmes en tenant compte des dernières avancées techniques dans le domaine tout en prenant en compte les enjeux environnementaux et énergétiques.
- Choisir, appliquer et adapter les méthodes d'analyse et de spécifications du besoin
- Analyser et comparer un large champ de données techniques
- Définir les solutions techniques répondant au besoin
- Établir les modèles en vue de la prévision du comportement du produit ou du système
- Choisir et appliquer les méthodes de dimensionnement et de modélisation
- Réaliser et interpréter des simulations

Axe A4 : PRATIQUE DE L’INGÉNIERIE
Aptitude à consulter et appliquer les codes de bonnes pratiques, sur la base d'études scientifiques et techniques, piloter et mettre en œuvre de manière structurée un projet ou un processus en organisant le travail des collaborateurs de l'entreprises dans le respect de la réglementation en matière de sécurité et dans le respect des valeurs sociétales et éthiques.
- Cartographier l'ensemble des solutions techniques dans le domaine de la spécialité
- Appliquer des méthodes de préconception ou de prédimensionnement
- Mener une réalisation conformément aux besoins exprimés
- Développer une démarche d'audit ou de diagnostic
- Mettre en œuvre une démarche de vérification systématique
- Être capable de proposer une démarche d'ingénierie respectueuse des valeurs sociétales et environnementales
- Être capable de faire un devis et d'évaluer financièrement un projet

Axe A5 : ÉTUDES ET RECHERCHES
Capacité à investiguer un sujet technique en mobilisant les données issue de la recherche afin de réaliser des tests, conduire des expérimentations et des études d'applications.
- Être capable de faire l'état de l'art scientifique et technique y compris dans un domaine non familier
- Faire preuve d'esprit critique et de créativité pour développer des idées originales et nouvelles
- Proposer des solutions innovantes en prenant en compte les objectifs de développement durable
- Évaluer le potentiel d’application d’une technologie émergente dans la spécialité d’ingénieur
- Concevoir, exploiter et évaluer un modèle, une simulation ou une expérimentation

Axe A6 : ARBITRAGE DES SITUATIONS COMPLEXES
Aptitude à réaliser des arbitrages sur les problèmes complexes et partiellement définis en prenant en compte les objectifs de développement durable définis par l'ONU.
- Connaître l'organisation de la recherche en général et les thématiques de recherche liées à la spécialité d’ingénieur
- Faire preuve d'esprit critique par rapport à son propre travail
- Être capable de prendre en compte les enjeux du développement durable dans l'ensemble de son activité
- Être sensibilisé à l'entrepreneuriat, l'innovation, la propriété intellectuelle et à la créativité

Axe A7 : COMMUNICATION ET TRAVAIL EN ÉQUIPE
S’intégrer dans une organisation, l’animer et la faire évoluer en communiquant efficacement en plusieurs langues, dans un contexte pluridisplinaire et multiculturel.
- Être capable de se positionner dans l'entreprise et dialoguer avec les autres métiers
- Mobiliser les outils de management de projet et les techniques de leadership
- Être capable de prendre en compte un contexte international et multiculturel
- Exploiter des méthodes de communication et les appliquer dans le champ de la spécialité y compris en langue étrangère
- Prendre en compte les problématiques de qualité, sécurité, environnement et les dimensions juridiques et socio-économiques

Axe A8 : APPRENTISSAGE TOUT AU LONG DE LA VIE
Capacité à être acteur de son propre développement de compétences en s'appuyant sur les bonnes pratiques, en construisant son réseau professionnel et en mobilisant les ressources de la formation professionnelle continue.
- Être capable de construire un projet professionnel
- Capitaliser les connaissances et les savoir-faire
- Être capable d'auto-évaluer ses compétences

Programme

The module is designed in 5 modules distributed during the spring semester for architect-engineer students. At the end of the 5th sequence each student has to have produced all the needed pieces for the design of a small single-zone building with a specific function (residential / small office building, etc). The form of the building has to been evolved from session to session adding each time the new levels of the studies from the issues covered in each module (climate, envelope, ventilation, solar gain, etc). At the end of each session each student has to develop an own set of design criteria against which the proposed final building design can be evaluated employing thermal simulation. Students have been given a specific climate to conduct their analysis and integrate the specific climatic parameters to an adequate architectural design. An introduction to the finit element and the control volumes methods will be held during the TD sessions in order to explain how dynamic thermal simulation software conduct all the needed calculations in a short time lapse..

Contraintes pédagogiques - Méthodes pédagogiques

Contraintes pédagogiques - Moyens spécifiques

During the sessions we will use four computer programs that have been developped by the Architecture Department of the University of California, Los Angeles to aid student learning in each module of the course, and also to support architectural design decision making once they get out into practice:
a) Climate Consultant (that graphically analyzes 8760 hour climate data files).
b) OPAQUE (that evaluates the performance of the opaque envelope of the building)
c) SOLAR-2 (for the design of a window with any combination of sunshades)
d) HEED (Home Energy Efficient Design, for integrated whole-building energy performance)

All these programs are open source and can be downloaded (at no cost) from www.aud.ucla.edu/energy-design-tools.

The TD session will take place in the PC lab of the Department of Architecture.

Mode d'évaluation

The students have to submit a report (30 pages A4 format) where they summarize the different simulation protocols that they developed in order to conduct multi-scale thermal simulations. Furthermore, within this report they have to outline the formal evolution of the given architectural project under study according to these simulations.

Bibliographie

References (not exhaustive list)

- Climate Consultant 4.0 Develops Design Guidelines for Each Unique Climate. Murray Milne, Robin Liggett, Andrew Benson, and Yasmin Bhattacharya. American Solar Energy Society, Buffalo, New York, May, 2009.
- Psychrometric Chart Tutorial: A Tool for Understanding Human Thermal Comfort Conditions. Yasmin Bhattacharya and Murray Milne, American Solar energy Society Conference, Buffalo, New York, May, 2009.
- Tools for Designing Zero Energy Homes: How Well Do They Work in Dublin. Murray Milne, Proceedings of the 2008 Passive and Low Energy Architecture Conference, Dublin, Ireland, October, 2008.
- A DESIGN TOOL FOR MEETING THE 2030 CHALLENGE: Measuring CO2, Passive Performance, and Site Use Intensity. Murray Milne, Proceedings of the American Solar Energy Association Conference, Cleveland, Ohio, July, 2007.
- "ENERGY EFFICIENT AFFORDABLE HOUSING; Validating HEED's Predictions of Indoor Comfort, Murray Milne, Jessica Morton, and Tim Kohut, ASES-06: Proceedings of the 2006 American Solar Energy Society Conference, Denver Colorado, June 2006.
- Why Design Matters: Comparing Three Passive Cooling Strategies in Sixteen Different Climates, Murray Milne, Carlos Gomez, Pablo LaRoche, Jessica Morton, ASES-05, Proceedings of the 2005 American Solar Energy Society Conference, Orlando Florida, June 2005.

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