Optimisation thermo-aéraulique de la Galerie de Paléontologie du Muséum national d'Histoire naturelle : confort des visiteurs, conservation des collections et respect du patrimoine.
L'expertise d'EOLIOS en simulation CFD (Computational Fluid Dynamics) et en optimisation des ambiances intérieures a joué un rôle clé dans l'analyse et l'amélioration du confort aéraulique de la Galerie de Paléontologie du Muséum national d'Histoire naturelle. Notre savoir-faire a permis de caractériser précisément les comportements thermo-aérauliques de ce volume patrimonial exceptionnel et de proposer des solutions d'optimisation concrètes, conciliant confort des occupants, conservation des collections et respect des contraintes architecturales.
L'essentiel. La Galerie de Paléontologie du MNHN est un volume patrimonial d'exception : grandes hauteurs, verrières et niveaux ouverts du Rez-de-Jardin à la toiture. EOLIOS a bâti un modèle CFD 3D de près de 50 millions d'éléments, calibré sur un audit terrain (mesures in situ, essais fumigènes) jusqu'à un critère résiduel < 10⁻⁴. Deux scénarios, été et hiver, révèlent la stratification thermique et les zones où la vitesse dépasse 0,4 m/s ou la température sort de 18-25 °C. À la clé, des leviers concrets — diffusion intermédiaire, buses à orientation ajustable, balayage des parties hautes, régulation par fréquentation — au service du confort, de la conservation des collections et du respect des façades classées.
EOLIOS est un acteur de référence de la simulation CFD appliquée aux bâtiments patrimoniaux et aux grands équipements culturels. Nos études reposent sur un retour d'expérience issu de campagnes de mesures en conditions réelles et sur une expertise reconnue dans la modélisation de volumes complexes à forts enjeux thermiques.
Les bâtiments à vocation culturelle et patrimoniale constituent un défi particulier en matière de confort aéraulique. La Galerie de Paléontologie illustre parfaitement cette réalité avec ses grandes hauteurs sous plafond, ses volumes ouverts s'étendant sur plusieurs niveaux et ses surfaces vitrées importantes.
Ces caractéristiques génèrent des phénomènes amplifiés par rapport aux bâtiments standards, notamment une stratification thermique marquée où l'air chaud s'accumule en hauteur, créant des écarts de plusieurs degrés sur la verticale. Ce mécanisme relève de l'effet de tirage thermique. À cela s'ajoutent des contraintes patrimoniales fortes, puisque les façades classées limitent les interventions possibles sur l'enveloppe, ainsi qu'une occupation duale et variable entre public fluctuant et personnel permanent dont les exigences diffèrent.
Les impératifs de conservation des collections s'ajoutent enfin au confort humain, exigeant une stabilité des conditions ambiantes. Ces particularités font du confort aéraulique dans ce type de bâtiment un problème d'ingénierie complexe, où les approches empiriques montrent rapidement leurs limites.
La stratification désigne la formation de couches d'air à températures différentes selon l'altitude : l'air chaud, moins dense, s'élève et s'accumule en partie haute, tandis que l'air plus frais reste au niveau du sol. Dans un grand volume comme la Galerie, l'écart peut atteindre plusieurs degrés entre la zone d'occupation et la voûte.
Un enjeu de conservation. Au-delà du confort humain, les collections exigent une stabilité des conditions d'ambiance. Les variations de température et d'hygrométrie, amplifiées par la stratification et par les apports solaires des verrières, sollicitent des matériaux sensibles : maîtriser l'aéraulique, c'est aussi protéger le patrimoine exposé.
Face à cette complexité, le recours à la CFD apparaît comme l'outil le plus adapté, pour plusieurs raisons complémentaires. Contrairement aux méthodes simplifiées qui calculent des débits globaux sans représenter la réalité physique locale, la CFD offre une vision tridimensionnelle complète permettant de visualiser précisément la trajectoire des veines d'air, les zones de recirculation et les gradients de température, identifiant ainsi les points critiques d'inconfort qui échappent aux approches globales.
La CFD, ou mécanique des fluides numérique, résout les équations de l'écoulement de l'air (vitesse, pression, température) sur un maillage 3D du volume étudié. Elle restitue en tout point les champs de vitesse et de température, là où les méthodes globales ne fournissent que des moyennes.
Au-delà de cette vision tridimensionnelle, la CFD réunit trois atouts décisifs :
Tester sans risque de multiples scénarios — existant/projeté, géométrie, paramètres de régulation — sans coût matériel ni perturbation de l'exploitation, et éviter des erreurs de conception coûteuses à corriger a posteriori.
Intégrer nativement les couplages thermiques entre rayonnement solaire, conduction et convection, indispensables pour évaluer le confort thermique réellement ressenti par les occupants.
Communiquer et décider grâce à des visualisations colorées, support partagé entre les acteurs du projet. En phase DCE, la CFD devient un préalable indispensable à toute intervention sur la ventilation.
La simulation CFD ne se limite pas à l'analyse des flux d'air existants : elle est avant tout un outil d'optimisation du confort. En modélisant précisément les conditions ressenties par les occupants (vitesse de l'air, température ambiante, stratification thermique), elle permet d'identifier les zones d'inconfort et de tester des solutions correctives avant tout engagement de travaux. Dans des espaces accueillant du public comme la Galerie de Paléontologie, où cohabitent visiteurs occasionnels et personnel permanent, cette capacité à anticiper et affiner les conditions d'ambiance représente un atout décisif pour guider les choix de conception vers des solutions à la fois performantes et durables.
En savoir plus : la simulation CFD dans l'analyse du confortL'étude CFD menée par EOLIOS sur la Galerie de Paléontologie s'articule autour de trois objectifs complémentaires.
Comprendre les phénomènes thermo-aérauliques, en configuration existante comme projetée : champs de vitesse et de température, mécanismes de transfert dominants et interactions entre les niveaux du bâtiment.
Analyser l'efficacité du système de ventilation : équilibre soufflage / reprise, absence de court-circuit, taux de renouvellement d'air réels et efficacité énergétique des configurations simulées.
Identifier les risques d'inconfort : cartographier les zones où la vitesse dépasse 0,4 m/s ou la température sort de 18-25 °C, puis hiérarchiser les priorités d'intervention selon l'impact et la faisabilité.
Ces trois axes structurent l'ensemble des travaux présentés dans cette synthèse et traduisent la volonté d'apporter au maître d'ouvrage une vision claire, argumentée et opérationnelle des enjeux aérauliques de la Galerie.
Un audit approfondi a été mené directement au sein de la Galerie de Paléontologie afin de caractériser précisément les phénomènes thermo-aérauliques en conditions réelles d'exploitation. Des campagnes de mesures ont été réalisées dans l'ensemble des niveaux pour quantifier les vitesses d'air, les températures et les débits aux bornes des systèmes de ventilation, permettant de disposer d'un état initial fiable et représentatif du fonctionnement de l'installation. Des visualisations qualitatives des trajectoires de flux d'air ont également été conduites afin d'identifier les zones de recirculation, les courants parasites et les dysfonctionnements des dispositifs de diffusion existants.
Au-delà de la collecte de données, cet audit sur site constitue une étape clé pour appréhender le comportement réel du bâtiment dans son environnement patrimonial, souvent complexe et contraint. Il permet de confronter les schémas théoriques et les plans CVC existants à la réalité du terrain, d'intégrer les effets des pratiques d'exploitation, des contraintes architecturales, des conditions météorologiques et des usages effectifs des espaces, autant d'éléments rarement entièrement documentés dans les dossiers techniques.
Cette connaissance fine du site est indispensable pour éviter des hypothèses de modélisation simplificatrices ou éloignées du fonctionnement réel.
Les observations de terrain issues de l'audit ont ainsi constitué une base essentielle pour alimenter, calibrer et valider le modèle numérique CFD. Elles garantissent la cohérence entre simulation et comportement réel du système, renforçant la fiabilité des résultats et la pertinence des solutions proposées. L'audit apparaît donc comme un préalable incontournable à toute démarche d'analyse et d'optimisation durable des problématiques de confort aéraulique dans ce patrimoine exceptionnel.
La modélisation CFD 3D développée par EOLIOS repose sur un socle géométrique rigoureux, élaboré à partir des plans d'exécution existants complétés par les relevés et observations réalisés lors de l'audit sur site. Cette étape est déterminante : la qualité et la représentativité du modèle conditionnent directement la pertinence des résultats obtenus.
Sur la base des données collectées, EOLIOS a développé un modèle détaillé intégrant la géométrie complète de la Galerie de Paléontologie sur l'ensemble de ses niveaux (du Rez-de-Jardin jusqu'à la toiture) ainsi que l'ensemble des équipements influençant l'aéraulique du site : centrales de traitement d'air et leur réseau de distribution, grilles de soufflage et de reprise, sources de chaleur internes et solaires, mais aussi tous les éléments architecturaux guidant les écoulements tels que les vitrines d'exposition, les cloisonnements et les garde-corps des coursives.
Le niveau de détail géométrique est choisi avec soin pour représenter fidèlement les éléments ayant une influence significative sur les champs de vitesse et de température, tout en rationalisant les détails secondaires. Avec un maillage comptant environ 50 millions d'éléments fluides, cet équilibre entre précision et simplification garantit la robustesse numérique des simulations et des résultats directement exploitables pour l'analyse et l'aide à la décision.
En pratique, la démarche CFD s'inscrit dans un processus itératif structuré en étapes successives :
Construire le modèle géométrique à partir des plans d'exécution et des relevés d'audit.
Définir les conditions aux limites et les propriétés thermo-physiques.
Résoudre numériquement, puis analyser en détail les champs d'écoulement et de température.
Calibrer sur les mesures terrain avant d'engager les itérations d'amélioration.
Calibrer un modèle CFD, c'est ajuster ses conditions aux limites (débits, températures de surface, apports solaires, sources internes) jusqu'à retrouver les grandeurs mesurées sur site. Un modèle calibré devient un outil prédictif fiable pour tester des configurations qui n'existent pas encore.
La phase de calibration constitue une étape clé de la démarche CFD : elle garantit la cohérence entre les résultats de simulation et le comportement réel du système. Concrètement, il s'agit d'ajuster les conditions aux limites et les hypothèses de modélisation (débits de soufflage et de reprise, températures de surface des parois et vitrines, conditions météorologiques, apports solaires, sources de chaleur internes liées à l'occupation et aux équipements) afin d'obtenir une adéquation satisfaisante entre les grandeurs calculées et les mesures relevées in situ lors de l'audit.
Une fois le modèle calibré et validé, avec une convergence des calculs attestée par un critère résiduel inférieur à 10⁻⁴, il devient un outil prédictif fiable permettant d'étudier l'impact de différentes modifications (évolution des débits, géométrie des diffuseurs, configuration des systèmes de ventilation) et d'analyser les nouvelles dynamiques d'écoulement et de distribution thermique en appui à la prise de décision technique.
La simulation numérique CFD permet de reproduire virtuellement le comportement de l'air à l'intérieur de la Galerie de Paléontologie dans des conditions réalistes, sans avoir besoin d'attendre les saisons concernées ni de réaliser des mesures in situ coûteuses et longues. En définissant des conditions aux limites représentatives à partir des données météorologiques de la station la plus proche (températures extérieures, ensoleillement, fonctionnement des systèmes de ventilation), il est possible d'explorer le comportement du bâtiment dans des situations aussi variées que la canicule estivale ou le grand froid hivernal.
Deux scénarios critiques ont été étudiés pour encadrer la plage de fonctionnement réel de la galerie :
Le scénario hiver, correspondant aux conditions extérieures les plus froides, permet de vérifier que le système de chauffage par ventilation parvient à maintenir une ambiance confortable pour les visiteurs et le personnel, tout en limitant les gaspillages énergétiques liés à une stratification excessive de l'air chaud en hauteur.
Le scénario été, représentatif des périodes de forte chaleur, vise à évaluer la capacité du système de rafraîchissement à composer avec les apports solaires importants pénétrant par les verrières et fenêtres, et à garantir des conditions supportables malgré la charge thermique élevée.
Cette approche dualiste offre au maître d'ouvrage une vision complète des performances attendues de l'installation, en mettant en lumière non seulement les comportements moyens, mais également les situations potentiellement défavorables qu'il conviendra de traiter prioritairement.
Les simulations produisent des cartographies tridimensionnelles des grandeurs physiques étudiées (vitesse de l'air, température) qui permettent de localiser visuellement les zones conformes et celles présentant des risques d'inconfort. Ces représentations, sous forme d'isosurfaces colorées ou de plans de coupe, constituent un outil de communication direct entre ingénieurs et décideurs.
L'analyse des champs de vitesse révèle une hétérogénéité des écoulements selon les niveaux et les zones considérées. On observe globalement des vitesses faibles dans les grands volumes de la galerie, propices au calme et à la stabilité de l'ambiance, mais quelques zones singulières où l'accélération de l'air crée des risques de courants d'air perceptibles.
En période estivale, une dynamique particulière apparaît : l'air froid injecté au niveau du sol tend à s'étaler en nappe avant de remonter le long des parois, créant des courants ascendants parfois gênants au passage immédiat des grilles de soufflage. Ce phénomène, typique des volumes climatisés à soufflage bas, contraste avec le comportement hivernal où l'air chaud monte naturellement et de manière plus homogène.
À retenir. Le soufflage par le bas, plutôt favorable en hiver, se retourne en été : l'air froid rasant remonte le long des parois et génère des courants ascendants près des grilles. C'est exactement le type de phénomène local que la simulation permet de localiser — et de corriger — avant travaux.
En hiver, la stratification thermique joue plutôt en faveur du confort : l'air chaud s'accumule en partie haute (sous voûte et toiture) tandis que la zone d'occupation reste dans une ambiance tempérée. La configuration projetée permet de réduire cet écart vertical par rapport à l'état existant, améliorant l'efficacité énergétique et l'uniformité du confort.
La confrontation des deux scénarios permet de dresser un bilan globalement positif de la configuration : si le fonctionnement hivernal apparaît satisfaisant avec des conditions de confort bien maîtrisées sur l'ensemble des niveaux, le scénario estival révèle certaines limites liées à l'inertie thermique du bâtiment et à l'importance de ses surfaces vitrées. Ces constats, mis en évidence objectivement par la simulation, justifient les propositions d'optimisations complémentaires formulées dans la partie suivante.
Les simulations ont permis d'identifier plusieurs leviers d'optimisation concrets pour améliorer le confort thermo-aéraulique de la Galerie de Paléontologie.
La mise en place d'éléments de diffusion intermédiaires permet une répartition plus uniforme des flux d'air avant leur arrivée dans les espaces occupés, limitant les zones d'inconfort liées à des vitesses d'air excessives.
Le remplacement des équipements de diffusion existants par des modèles à orientation ajustable apporte une flexibilité saisonnière, permettant d'adapter finement la distribution de l'air selon les conditions extérieures.
La hauteur sous plafond importante et la communication entre les niveaux de la galerie ont conduit à préconiser un balayage contrôlé des parties hautes des volumes. Ce principe, qui favorise le mélange des couches d'air sans perturber la zone d'occupation, s'avère particulièrement efficace en période intermédiaire, où une ventilation naturelle assistée peut suffire à maintenir des conditions de confort satisfaisantes.
Enfin, une régulation des débits de ventilation indexée sur la fréquentation réelle du musée permet d'optimiser le rapport entre confort ressenti et consommation énergétique, en évitant aussi bien les situations de sous-dimensionnement que les surventilations génératrices de courants d'air parasites. Le remplacement des équipements de diffusion existants par des modèles à orientation ajustable offrirait par ailleurs une flexibilité d'utilisation selon les saisons.
Objectiver les phénomènes invisibles, c'est pouvoir rénover sans dénaturer : la simulation éclaire les arbitrages entre performance, patrimoine et investissement.EOLIOS · confort thermo-aéraulique
Cette étude CFD menée par EOLIOS sur la Galerie de Paléontologie du MNHN a permis d'objectiver, grâce à la simulation numérique, les comportements thermo-aérauliques d'un volume patrimonial complexe. En combinant audit terrain approfondi et modélisation haute fidélité, l'analyse a mis en lumière les dynamiques de flux d'air et les distributions thermiques caractéristiques de ce bâtiment, tant en configuration hivernale qu'estivale.
Les résultats obtenus alimentent la réflexion du maître d'ouvrage en identifiant les zones méritant une attention particulière et en proposant des orientations d'amélioration envisageables. Ils illustrent l'apport de la simulation comme outil d'aide à la décision : elle offre une vision anticipée du fonctionnement de l'installation projetée, contribuant ainsi à sécuriser les choix de conception et à éclairer les arbitrages entre performance, patrimoine et investissement.
Fort de son expertise en simulation numérique appliquée aux grands volumes patrimoniaux, EOLIOS a proposé plusieurs solutions d'optimisation concrètes et hiérarchisées pour améliorer le confort thermo-aéraulique de la Galerie. Des leviers directement actionnables ont été identifiés, complétés par des dispositions saisonnières pour les périodes intermédiaires.
Les solutions retenues ont été rigoureusement simulées et évaluées, permettant de quantifier précisément leur impact sur le confort des visiteurs et du personnel, ainsi que sur la consommation énergétique de l'installation. Cette approche itérative, combinant audit terrain et modélisation haute fidélité, garantit des préconisations ancrées dans la réalité du bâtiment et directement exploitables pour la phase DCE.
Grâce à cette étude, EOLIOS a permis d'objectiver les enjeux aérauliques de la Galerie et d'éclairer les arbitrages entre performance, patrimoine et investissement. Cette démarche contribue à sécuriser les choix de conception tout en offrant au maître d'ouvrage une vision anticipée et fiable du fonctionnement de l'installation projetée, au service d'un patrimoine exceptionnel ouvert à tous.
Savoir-faire : l'optimisation du confort thermo-aérauliqueStratification thermique, apport de la CFD et méthode EOLIOS dans un volume patrimonial.
Dans un grand volume ouvert et vitré, l'air chaud s'accumule sous la voûte tandis que la zone d'occupation reste plus fraîche, créant des écarts de plusieurs degrés sur la verticale. Cette stratification dégrade le confort ressenti, complique la conservation des collections et augmente la consommation d'énergie si le chauffage doit compenser les pertes en partie haute.
Un calcul classique raisonne en débits globaux et ne voit pas les phénomènes locaux : recirculations, courants d'air près des grilles, poches de stratification. La CFD résout le champ de vitesse et de température en tout point du volume et permet de tester des scénarios (été, hiver, variantes de diffusion) avant tout travaux, en s'appuyant sur un modèle calibré sur les mesures de terrain.
L'audit fournit un état initial fiable : vitesses, températures et débits réels aux bornes des systèmes, et une visualisation des trajectoires d'air par essais fumigènes. Ces données servent à calibrer et valider le modèle numérique afin que la simulation reflète le comportement réel du bâtiment, et non des hypothèses théoriques.
Le maillage découpe le volume d'air en près de 50 millions de cellules où sont résolues les équations de l'écoulement : plus il est fin, plus les gradients locaux sont capturés fidèlement. Le critère résiduel inférieur à 10⁻⁴ atteste que le calcul a convergé, c'est-à-dire que la solution est numériquement stable et exploitable pour la décision.
La CFD objective les compromis : elle localise les zones d'inconfort (vitesses supérieures à 0,4 m/s, températures hors de 18-25 °C) et teste des leviers non intrusifs compatibles avec les contraintes patrimoniales — diffusion intermédiaire, buses à orientation ajustable, balayage contrôlé des parties hautes et régulation des débits selon la fréquentation — sans intervention lourde sur les façades classées.
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L'étude menée par EOLIOS ingénierie se concentre sur l'optimisation thermo-aéraulique de la Galerie de Paléontologie du Muséum national d'Histoire naturelle, en utilisant des simulations CFD. Cette approche permet de visualiser et d'analyser la distribution de l'air et les champs de température au sein de ce volume patrimonial exceptionnel, réparti sur plusieurs niveaux du Rez-de-Jardin jusqu'à la toiture. La vidéo propose une immersion dans le modèle 3D haute fidélité de la galerie, à travers lequel sont présentées les isosurfaces de température caractéristiques des différents scénarios simulés (hiver et été), révélant les dynamiques de stratification thermique et les zones d'inconfort identifiées. EOLIOS a combiné un audit terrain approfondi, incluant des campagnes de mesures in situ et des essais fumigènes, à une modélisation numérique calibrée comptant près de 50 millions d'éléments fluides, garantissant une représentation fidèle des phénomènes réels. Cette démarche a permis d'identifier plusieurs leviers d'optimisation concrets (éléments de diffusion intermédiaires, équipements à orientation ajustable, régulation par fréquentation) au service du confort des visiteurs et du personnel, tout en respectant les contraintes patrimoniales de ce bâtiment classé. Cette étude démontre l'apport décisif de la simulation CFD comme outil d'aide à la décision pour la rénovation et l'optimisation des grands équipements culturels patrimoniaux.
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