Conversion de l’énergie solaire dans le bâtiment

CONVERSION DE L’ÉNERGIE SOLAIRE DANS LE BÂTIMENT

Instrumentation

L’instrumentation doit permettre de mesurer les paramètres nécessaires à la réalisation des expériences. Les mesures effectuées concernent les données suivantes : • flux du rayonnement global reçu par l’absorbeur (GT); • températures à différents endroits de l’absorbeur (Tabs, Tamb et Tout); • débit de l’air à la sortie du ventilateur (m  ); • émissivité de la couche extérieure de l’absorbeur (εcoll).
Bien que certains paramètres nécessitent une grande précision de l’instrument de mesure, d’autres nécessitent certaines mesures relatives au montage et à l’emplacement de l’UTC. Par analogie aux exigences relatives aux tests des capteurs solaires (Afnor, 2005). Le capteur solaire doit être monté de manière spécifique avant d’être mis à l’essai.
• Il doit être monté de sorte que son bord inférieur se situe au moins à 0,5 m au-dessus de la surface du sol afin de réduire l’influence du rayonnement réfléchi par le sol; • Il doit être également protégé des surfaces chaudes, telles que les radiateurs, les conduits et appareillages de conditionnement d’air, et des surfaces froides telles que les fenêtres et les parois extérieures; • Il doit être monté de sorte que l’air puisse circuler librement au niveau du côté avant du capteur; • La température des surfaces adjacentes au capteur doit être la plus proche possible de celle de l’air ambiant afin de réduire au minimum l’influence d’irradiance thermique.

Mesure de l’irradiation

Le rayonnement des lampes est mesuré par un pyranomètre fabriqué par Kipp & Zonen. Il s’agit du modèle CMP 11, avec une erreur de ± 7 W/m2. Cet appareil peut fonctionner avec un multimètre ou un système d’acquisition de données. L’instrument est classifié selon la classe 1 du WMO (ISO 9060). Il est composé d’un corps cylindrique en aluminium, d’une thermo pile à 32 jonctions connectés en série et d’un double dôme en verre et un revêtement blanc protégeant l’appareil du réchauffement dû au rayonnement. La radiation globale reçue sur la surface plane de l’absorbeur (GT) en W/m² peut facilement être calculée en divisant le signal de la tension de sortie (Uemf) par la sensibilité nominale propre de l’appareil (S) égal à 9,17 µV/(W/m²). Comme indiqué dans la relation suivante.
emf T U G S = (5.1) Avant de réaliser les essais, certaines précautions d’utilisation du pyranomètre sont nécessaires. Ces précautions sont : • Il faut s’assurer que le verre protecteur du pyranomètre soit propre et ne présente aucune poussière ou égratignure susceptible de nuire à la réception du rayonnement;
• Un examen de l’état du dessiccateur doit être fait sur une base régulière prévenant ainsi toute accumulation d’humidité susceptible de causer de la condensation au niveau des surfaces de l’instrument et pouvant affecter la lecture; • À l’aide de la bulle de niveau, s’assurer que le pyranomètre est placé sur le même plan que l’absorbeur; • Le pyranomètre ne doit projeter aucune ombre sur l’absorbeur au cours de la période d’essai, et il doit être monté de manière à être soumis au même niveau d’irradiance solaire que l’absorbeur lui-même. 5.4 Mesure du débit
La vitesse de l’air est mesurée par un anémomètre à fil chaud (VELOCICHECK modèle 8340). Ce modèle est équipé d’une sonde thermique et d’une sonde de mesure de vitesse. Cet appareil est très sensible au changement de température de l’air et permet la mesure de la vitesse sur une plage comprise entre 0,13 m/s à 10,16 m/s avec une précision de 0,03 m/s. Pour une précision optimale, il est important de diriger correctement la sonde par rapport au courant d’air à mesurer.
Pour obtenir la valeur de la vitesse réelle de l’air, la vitesse mesurée doit être corrigée par un facteur de correction qui dépend des conditions environnementales.
Le débit massique de l’air à la sortie du ventilateur est calculé par la multiplication de la vitesse de l’air mesurée par la masse volumique de l’air (ρair) que multiplie la surface du tuyau de (Stuyau) comme indiqué dans la relation suivante. .. reel tuyau mVS ρ  = (5.3)

Mesure de la température

Trois mesures de température sont nécessaires pour les essais de l’UTC. Il s’agit de : • la température de l’air ambiant; • la température de l’air à la sortie de l’UTC; • la température de la surface de l’absorbeur.
Les mesures de température dans le montage sont obtenues à partir de thermocouples de type K de Oméga Inc. La plage d’utilisation de ces thermocouples (0°C à 1370°C) couvre largement la plage de températures de fonctionnement de l’UTC. Ces thermocouples sont au nombre de 27. Les figures 5.3 et 5.4 montrent leurs positionnements. Il est à noter que tous les thermocouples ont été calibrés afin de connaître leurs degrés de précisions dans un intervalle de température 0-50 °C. Les incertitudes résultantes en fonction de la température sont présentées en annexe V.
Pour la mesure de température de l’air ambiant (Tamb), le thermocouple est protégé contre l’irradiation des lampes du simulateur solaire par un abri revêtu d’une couche de peinture blanche et suffisamment aérée. L’aération étant assurée par un ventilateur standard.

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Table des matières

INTRODUCTION 1
CHAPITRE 1 PROBLÉMATIQIE ET OBJECTIF
1.1 Contexte
1.1.1 Raisons environnementales
1.1.2 Raisons économiques
1.1.3 Solution
1.1.4 Bénéfices des systèmes de chauffage solaire de l’air (UTCs)
1.2 Problématique
1.3 Objectifs
1.4 Paramètres importants et performances thermiques des UTC
CHAPITRE 2 REVUE BIBLIOGRAPHIQUE
2.1 Introduction
2.2 La théorie du transfert de chaleur
2.3 L’efficacité des capteurs perforés
2.4 Les outils d’analyse des systèmes de chauffage solaire de l’air
CHAPITRE 3 CONVERSION DE L’ÉNERGIE SOLAIRE DANS LE BÂTIMENT
3.1 Introduction
3.2 Le système UTC de chauffage solaire de l’air
3.3 Description des systèmes de chauffage solaire de l’air
3.4 Contrôle des capteurs perforés
3.5 Classement des systèmes d’UTCs
3.5.1 Systèmes d’UTCs de bâtiment commercial et résidentiel
3.5.2 Systèmes d’UTCs des bâtiments industriels
3.5.3 Systèmes d’UTCs pour procédés industriels
3.6 Revêtement de l’absorbeur
3.6.1 Revêtement non sélectif
3.6.2 Revêtement sélectif
CHAPITRE 4 MÉTHODOLOGIE DES PLANS EXPÉRIMENTAUX
4.1 Principe
4.2 Objectif
4.3 Définition des paramètres
4.3.1 Paramètres de contrôle
4.3.2 Paramètres bruits
4.3.3 Paramètres de réponses
4.4 Domaine expérimental
4.4.1 Contraintes expérimentales
4.4.2 Contraintes d’appareillage
4.4.3 Renseignements bibliographiques
4.5 Construction du plan d’expériences
CHAPITRE 5 DESCRIPTION ET FONCTIONNEMENT DU DISPOSITIF EXPÉRIMENTAL
5.1 Dispositif expérimental
5.2 Instrumentation
5.3 Mesure de l’irradiation
5.4 Mesure du débit
5.5 Mesure de la température
5.6 Systèmes d’acquisition de données
5.7 Mesure de l’émissivité.
5.8 Déroulement des expériences
CHAPITRE 6 MODÉLISATION ET OPTIMISATION DU RENDEMENT ET DE L’EFFICACITÉ DE L’UTC
6.1 Modélisation
6.1.1 Hypothèses
6.1.2 Ajustement du modèle du rendement
6.2 Validation du modèle
6.2.1 L’analyse de variance
6.2.2 Analyse des résidus
6.2.3 Discussion des résultats et analyse des effets
6.2.4 Effets principaux et d’interactions
6.3 Optimisation du rendement de l’UTC
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
ANNEXE I RESULTATS DU PLAN EXPÉRIMENTAL
ANNEXE II MATRICE DES EXPÉRIENCES
ANNEXE III MATRICE INTRODUITE DANS LE LOGICIEL STATGRAPHICS
ANNEXE IV DIFFÉRENTES INSTALLATIONS DES UTCs
ANNEXE V INCERTITUDE DES THERMOCOUPLES
ANNEXE VI CARACTÉRISTIQUES DE LA PENTURE THERMALOX 250
ANNEXE VII GRAPHIQUES DE SURFACES DE RÉPONSE
BIBLIOGRAPHIE