Impact de l’inertie thermique sur le confort du bâtiment

Actions de l’inertie thermique EN HIVER :

En raison de l’inertie du bâtiment, le refroidissement des murs ralentira, de sorte que la température extérieure n’affectera pas l’intérieur et la chaleur emmagasinée par les murs pendant la journée sera récupérée la nuit. EN ETE : Le chauffage des murs va ralentir, donc la température extérieure n’affectera pas l’atmosphère intérieure, et la fraîcheur stockée par les murs la nuit refroidira la pièce pendant la journée. Le bâtiment est considéré comme un secteur clé de l’économie, fortement consommateur d’énergie et émetteur de gaz à effet de serre. On constate que la climatisation et le chauffage consomment une quantité importante en matière d’énergie. Pour atteindre une meilleure efficacité énergétique dans les bâtiments, un fonctionnement rationnel et le remplacement progressif des sources d’énergie traditionnelles par des énergies renouvelables doivent faire partie des objectifs de toute politique énergétique rentable. En conclusion, nous pouvons déduire que le confort thermique est un élément essentiel du bien-être de l’utilisateur dans son environnement bâti. En tenir compte à la maison, il y a plusieurs aspects à considérer.

Les paramètres qui affectent le confort thermique peuvent être divisés en deux types: les paramètres physiques (tels que la température de l’air, la vitesse de l’air, etc.) et les paramètres personnels (tels que les vêtements, l’activité). L’homme est un homéotherme, il doit maintenir sa température interne proche de 37C, l’adaptation à chaque environnement nécessite des réponses physiologiques, comportementales et parfois techniques pour assurer un équilibre entre le corps et l’environnement. Aussi, L’augmentation du coût de l’énergie nous a rappelé que son entretient l’était tout autant. Par conséquent, la prise en compte du coefficient thermique lors de la conception des bâtiments est désormais un défi à relever pour trouver le bon compromis entre confort thermique et dépense énergétique. De ce fait pour assurer un équilibre entre ces deux dernière une architecture consciente de l’énergie et une approche intelligente des problèmes énergétiques devrait commencer par l’intégration du mur Trombe qui consiste à chauffer l’air avec le soleil puis le diffuser dans le bâtiment, c’est ce que nous allons développer dans le chapitre suivant.

Le mur trombe et chauffage des habitas

Le soleil peut jouer plusieurs rôles dans l’habitat. Il peut nous éclairer le jour à travers les fenêtres, comme il peut également nous éclairer la nuit si nous avons capté et stocké de l’énergie par des accumulateurs. Dans notre Algérie, le chauffage et la climatisation sont les éléments les plus importants du budget énergétique domestique, notamment dans le secteur du logement qui porte une part importante des responsabilités en matière de consommation d’énergie et de pollution qu’il génère. Pour cela nous nous limiterons à l’étude du chauffage et de la climatisation par voie solaire pour minimiser la consommation d’énergie et pour un confort agréable. Il est donc nécessaire de développer des stratégies qui utilisent la sobriété énergétique, l’efficacité et les énergies renouvelables. L’addition d’un système de chauffage solaire passif à un logement est une solution intéressante qui permet d’économiser et d’utiliser l’énergie de manière rationnelle. Parmi ces systèmes, celui développé par le professeur Trombe et qui consiste à placer un lourd mur de maçonnerie orienté plein sud derrière le vitrage et à le doter de deux orifices. A travers le premier chapitre, nous avons pu identifier précisément le confort thermique interne, nous avons traité en détail ces différentes approches, méthodes et indices d’évaluation dans les milieux d’habitation. Dans ce deuxième chapitre nous allons examiner d’une manière détaillée un système de chauffage solaire passif qui permet de stocker et de restituteur de la chaleur. Cette technique de chauffage a été développée au C.N.R.S (centre national de la recherche scientifique (France)par le Professeur Trombe.

Caractérisation de la convection naturelle

Il existe deux types de transfert de chaleur par convection qui se produisent dans la cavité ouverte des systèmes solaires passifs. Premièrement, l’échange de transport convectif correspond à l’énergie transmise par l’air dans son flux vertical, il est donc associé au débit de renouvellement d’air. Ensuite, l’échange convectif entre la surface de la cavité et l’air qui sont caractérisés par un coefficient de convection. Ces données sont présentées sur la figure (Figure2.15).On constate aussi, comme montré sur la figure, que la courbe de l’écoulement est de forme parabolique, mais pour simplifier, on considère que la vitesse moyenne est directement liée au débit de renouvellement d’air. Pour la convection naturelle entre deux plaques verticales chauffées asymétriquement, le débit dépend essentiellement de la forme de la cavité, de la chaleur totale fournie à l’air, et de sa distribution, Aung et al.(1972).Les nombres sans dimension caractéristiques sont ceux de Rayleigh, de Prandtl et le rapport de forme de cavité (rapport de l’épaisseur et la hauteur de la lame d’air).Ici, on peut considérer que le nombre d’air de Prandtl comme une constante égale à 0.71. Le nombre de Rayleigh caractérise la transmission au sein d’un fluide, c’est-à-dire le type d’écoulement. Inférieur à une première valeur limite, le transfert est fondamentalement conductif, au-delà de la convection, l’écoulement est laminaire et enfin, au-delà d’une autre valeur critique, il y écoulement turbulent. Le nombre de Rayleigh se calcule à partir du nombre de Grashof .Pour la convection naturelle, qui prend place entre deux plaques verticales, associé à un mouvement de renouvellement d’air sur toute la hauteur H, comme sur la figure (Figure2.15),le nombre de Rayleigh est donné par : RaH =GrH* Pr (2.13)

Approche numérique CFD

L’approche numérique incluse l’utilisation de Navier-Stokes sous certaines hypothèses simplifiées pour déterminer la vitesse d’écoulement du flux d’air entre deux plaques chauffées asymétriquement. Par conséquent, les équations de conservation de la masse, de la vitesse et de l’énergie sont ainsi utilisées. Depuis le premier modèle numérique des années 1960, deux méthodes numériques ont été utilisées. La première par Aung et al.(1972) et Kraiser et al.(2004) sur l’approximation de Boussinesq en considérant tous les paramètres physiques constants, à l’exception de densité volumique. La réécriture des équations de Navier-Stokes posera alors un problème dont les solutions peuvent être calculées numériquement simplement. La deuxième considère les équations de Navier-Stokes avec des paramètres non constants, tels que le font Kaiser et al.(2004) et Gan en (1998) et (2006). Cette méthode devient possible grâce au développement des outils de calcul informatique, et les techniques de résolution de la CFD. Pour Aung et al.(1972) le terme moteur comme étant la différence de température de surface des plaques et la température de l’air extérieur, ou les flux de chaleur au niveau des plaques à l’interface entre le solide et l’air. Le nombre de Grashof est alors défini en conséquence.

De la même façon, des études de CFD considèrent comme conditions à limite de la lame d’air soit des températures fixes comme le font Chami et Zoughaib (2010), soit des flux comme Gan (2011). Ensuite, le nombre de Nusselt et le débit sont calculés pour différents nombres de Rayleigh et de rapports de forme. Des corrélations, pour le coefficient de convection et la vitesse d’air moyenne sont ensuite proposées. Aung et al.(1972) réalisent un certain nombre de calculs pour des nombres de Rayleigh et débits choisis. Ils constatent alors des relations asymptotiques entre nombre de Rayleigh et nombre de Reynolds, nombre de Rayleigh d’une part et nombre de Nusselt. Zamora et Kaiser (2009) étudient l’écoulement (laminaire et turbulent) dans une cheminée solaire pour différents nombres de Rayleigh et différents rapports de forme, en utilisant un code numérique. Des corrélations donnant la valeur de rapport de forme qui maximise le nombre de Nusselt, pour de valeurs de nombre de Rayleigh comprises entre 105 et 1012 ont été établies.

Plus le nombre de Rayleigh est levé, plus le rapport de forme doit être faible pour maximiser les échanges convectifs .Le débit maximal n’est pas atteint pour la valeur maximale du Nusselt, ce qui s’explique par le fait qu’en régime turbulent, des inversions d’écoulement prennent place, favorisant les échanges convectifs mais pas le renouvellement d’air. Gan (2011) étudie les cheminées solaires et fournit des expressions générales permettant de calculer d’une part, le nombre de Nusselt en fonction du rapport de forme et du nombre de Rayleigh, et d’autre part le nombre de Reynolds en fonction du nombre de Rayleigh et du nombre de Nusslet, permettant ainsi d’obtenir le débit. Il décompose ces relations sur les intervalles sur lesquelles elles sont valables. Il faut noter que ces relations sont valables pour des flux allant de 100 à 1000 W/m2 .Aussi pour des déperditions variées des flux entre les deux surfaces de la cavité. Ces méthodes ont pour avantage une description dine de tout l’écoulement dans la lame d’air, elles permettent aussi d’analyser la nature de l’écoulement de manière locale et notamment sa possibilité d’hétérogénéité le long du canal .Mais ces résultats sont établis pour des configurations et des entrées spécifiques, limitant de ce fait leur exploitation pour la modélisation des échanges dans des configurations réelles de protections solaire.[38]