Soutenance mémoire
Dimensionnement Et étude thermique du bâtiment
Enjeux énergétiques et développement durable
Le choix du terme « enjeu » pose explicitement la question des défis auxquels sont exposées les sociétés contemporaines. Il s’agit, en effet, de satisfaire les besoins énergétiques élémentaires des populations, de répondre à leur augmentation directement induite par la croissance démographique, dans une perspective de développement durable. Les enjeux majeurs sont donc:
de permettre un accès équitable aux ressources, de limiter les tensions politiques entre États dans le marché énergétique mondial ,de promouvoir une gestion raisonnée des énergies fossiles, de développer l’usage des énergies renouvelables sans détruire l’environnement.
Le développement durable est « un développement qui répond aux besoins du présent sans compromettre la capacité des générations futures à répondre aux leurs », citation de Mme Gro Harlem Brundtland, Premier Ministre norvégien (1987). En 1992, le Sommet de la Terre à Rio, tenu sous l’égide des Nations unies, officialise la notion de développement durable et celle des trois piliers (économie/écologie/social) : un développement économiquement efficace, socialement équitable et écologiquement soutenable.
Le confort thermique
Le confort thermique est traditionnellement lié à 6 paramètres :
Le métabolisme, qui est la production de chaleur interne au corps humain permettant de maintenir celui-ci autour de 36,7°C. Un métabolisme de travail correspondant à une activité particulière s’ajoute au métabolisme de base du corps au repos.
L’habillement, qui représente une résistance thermique aux échanges de chaleur entre la surface de la peau et l’environnement.
La température ambiante de l’air Ta.
La température moyenne des parois Tp.
L’humidité relative de l’air (HR), qui est le rapport exprimé en pourcentage entre la quantité d’eau contenue dans l’air à la température ta et la quantité maximale d’eau contenue à la même température.
La vitesse de l’air, qui influence les échanges de chaleur par convection. Dans le bâtiment, les vitesses de l’air ne dépassent généralement pas 0,2 m/s.
Confort et température
Dans les conditions habituelles, l’homme assure le maintien de sa température corporelle autour de 36,7°C. Cette température est en permanence supérieure à la température d’ambiance, aussi un équilibre doit-il être trouvé afin d’assurer le bien-être de l’individu.
Il s’agit de pourcentages prévisibles d’insatisfaits (PPD), exprimés sur l’axe vertical, pour des personnes au repos en position assise (celle qui font la sieste au bureau, par exemple ), ou pour des personnes effectuant un travail léger (= travail de bureau).
Il est impossible de définir une température qui convienne à tous : il reste au mieux 5 % d’insatisfaits !
Il est intéressant de constater que la courbe des sujets au repos est centrée sur 26°C, et qu’elle est plus resserrée : ces personnes sont plus sensibles à de faibles variations de température.
La courbe représentant le travail léger glisse vers les basses températures : les personnes ayant plus de chaleur à perdre préfèrent des températures plus basses.
La diffusion de chaleur entre l’individu et l’ambiance s’effectue selon divers mécanismes :
Plus de 50 % des pertes de chaleur du corps humain se font par convection avec l’air ambiant (convection et évaporation par la respiration ou à la surface de la peau).
Les échanges par rayonnement à la surface de la peau représentent jusqu’à 35 % du bilan alors que les pertes par contact (conduction) sont négligeables (< 1 %).
Le corps perd également 6 % de sa chaleur à réchauffer la nourriture ingérée.
Études énergétique du bâtiment
Dans les pays industrialisés, les bâtiments consomment une partie importante de l’énergie utilisée par la société et, en conséquence, ils sont source d’une partie non négligeable de la pollution. Cette énergie est utilisée pour de nombreux usages, notamment:
le chauffage et/ou le refroidissement, pour assurer un climat intérieur confortable ,la circulation de fluides tels que l’air (ventilation), l’eau (eau chaude, chauffage) ,les transports (ascenseurs), l’éclairage, les communications (téléphone, radio, télévision), la production de biens (fabriques, cuisines, couture, etc.)
Dans les climats tempérés et froids, la plus grande part de l’énergie utilisée par un bâtiment sert au chauffage. Le flux de chaleur généré dans le système de chauffage aboutit inévitablement à l’extérieur par différentes voies plus ou moins directes.
Dans les climats plus chauds, il peut être nécessaire et en tous cas confortable d’abaisser la température intérieure des bâtiments. Ce refroidissement, et l’assèchement de l’air (sous les tropiques) peut aussi être un grand consommateur d’énergie.
Le transfert de chaleur
Un transfert thermique, est un échange d’énergie thermique. Cela correspond à un transfert d’énergie microscopique désordonnée. Les trois modes de transfert thermique fondamentaux sont la conduction, la convection et le rayonnement. Il est possible d’avoir un transfert thermique par plus d’un mode.
De façon spontanée, la direction du transfert thermique se fait depuis la région de plus haute température vers celle de plus faible température. Le transfert thermique s’arrête quand il y a équilibre thermique.
Il existe trois modes de transfert thermique :
La conduction, qui est un transport d’énergie sans déplacement de matière. Elle peut avoir lieu aussi bien dans les matériaux solides que dans les fluides (liquides et gaz).
Exemple : une barre métallique chauffée en une extrémité monte très vite en chaleur à l’autre extrémité.
La convection, qui est un transport d’énergie avec déplacement de matière. Elle concerne les fluides en mouvement ou les fluides en contact avec des surfaces rigides.
Exemple : radiateur de chauffage central chauffant les molécules de l’air qui, devenues plus légères, montent au plafond se refroidir pour redescendre après.
Le rayonnement, qui est un transport d’énergie sans déplacement de matière ni contact entre milieux. Ayant lieu dans le vide, il est dû aux vibrations électromagnétiques.
Exemple : la Terre est réchauffée par le rayonnement du Soleil.
|
Table des matières
Introduction Générale
Chapitre I : Gisement solaire et développement durable
I. Introduction
I.1. Le soleil
I.1.1 Généralités sur le soleil
I.1.1.1 le soleil
I.1.1.2 Constitution du soleil
I.1.2 rayonnement solaire
I.1.2.1 Composante de rayonnement solaire
I.1.2.2 La constante solaire Io
I.1.2.3 L’énergie solaire reçue sur Terre
I.1.2.4 La propagation du rayonnement solaire dans l’atmosphère
I.2 Données astronomiques
I.2.1 Introduction
I.2.2 Système équatorial
I.2.2.1 La déclinaison du soleil notée ( )
I.2.2.2 Angle horaire ω
I.2.3. Système horizontal
I.2.3.1 L’azimut du soleil noté (a)
I.2.3.2 La hauteur du soleil notée (h)
I.2.3.3 Latitude du lieu
I.2.4 Angle d’incidence θ
I.3.Enjeux énergétiques et développement durable
I.3.1.La sécurité énergétique
I.3.2. Les énergies renouvelables
I.3.3. Potentiel solaire en Algérie
II. Conclusion
Chapitre II : Problématique et confort thermique
I. Introduction
I.1 Le confort thermique
I.2. Confort et température
I.1.3 Confort et humidité
I.1.4 Confort et vitesse de l’air
I.2. Confort, activité, habillement
I.2.1 L’estimation du niveau d’habillement
I.2.1 L’évaluation du niveau d’activité
II Résolutions de problématique
II.1 Les différentes méthodes de modélisation énergétique de bâtiment
II.1.1 La méthode nodale
II.1.2 Le CFD (computationnel fluide Dynamics)
II.1.3 La méthode zonale
III. Problématique
III.1 Présentation du problème
IV. Conclusion
Chapitre III : Dimensionnement Et étude thermique du bâtiment
I. Introduction
I.1 Description de bâtiment étudie
II. Paramètres dimensionnel de bâtiment étudié
III. Études énergétique du bâtiment
III.1. Introduction
III.2.Quelques rappels de physique du bâtiment
III.2.1La conductivité thermique
III.2.2. La diffusivité thermique
III.2.3. La résistance thermique
III.2.4. Le coefficient de transmission thermique
III.2.5. Le facteur solaire
III.3. Le transfert de chaleur
III.3.1 Définition
III.3.2. La conduction thermique
III.3.3. La convection thermique
III.3.4. Le rayonnement thermique
III.3.5. L’émissivité des vitrages
III.3.6.Le bilan thermique
IV. Les déperditions thermique du bâtiment
IV.1.Déperditions à travers l’enveloppe du bâtiment
IV.1.1. Les combles et la toiture
IV.1.2. Les parois verticales
IV.1.3. Les menuiseries extérieures
IV.1.4. Les ponts thermiques
IV.1.5. Le sol
IV.1.6. Le renouvellement d’air
IV.2.Détermination des éléments de caractérisation de l’enveloppe du bâtiment
IV.2.1.Murs extérieurs
IV.2.2.Porte en bois
IV.2.3.Fenêtres
IV.2.4.Toiture
IV.2.5.Sol
IV.3. Déperditions par renouvellement d’air
III. Conclusion
Chapitre IV : Dimensionnement d’un chauffage d’habitation
I. Introduction
II.1. Le chauffage des habitations
II.1.1 Définition de l’opération
II.1.2 Le chauffe-eau solaire
II.1.3 Le chauffage solaire des maisons
II.2. Conception de l’installation
III. Constituants d’une installation solaire
III.1 Le captage
III.1.1Le capteur solaire
III.1.1.1Principes de fonctionnement
III.1.1.2Bilan énergétique global
III.1.2.Raccordement et équilibrage des panneaux
III.1.2.1 Le raccordement en parallèle
III.1.2.2 Le raccordement en série
III.1.2.3 Le raccordement en série-parallèle au-delà de 5 panneaux pour les grosses installations
III.1.3. Elimination de l’air dans les capteurs
III.1.3.1. Dégazage sous pression sans purgeur d’air
III.1.3.2. Dégazage par purgeurs d’air
III.2 Transfert
III.2.1. La tuyauterie
III.2.1.1 Isolation thermique des tuyaux
III.2.2. Circulation du fluide caloporteur
III.2.2.1.Circulation forcée par pompes
III.2.2.2 Circulation naturelle par thermosiphon
III.2.2.3 Les circulations parasites
III.2.3 Siphons anti-thermosiphon
III.2.4 Électrovannes de sécurité
III.2.5 La régulation
III.2.5.1 Régulation par aquastat
III.2.5.2 Régulation par thermostat différentiel de température
III.2.5.3 Régulation par thermostat différentiel et vanne de by-pass modulante
III.2.5.4 Régulation par thermostat différentiel et échangeur de chaleur externe
III.2.5.5 Régulation par thermostat différentiel et double réservoir d’accumulation
III.2.6. Soupape de sécurité (pouvant résister à 160°C)
III.2.7. Vase d’expansion
III.2.8. Robinet d’isolement pour vase d’expansion
III.3. Le stockage
III.3.1.1. Réservoirs d’accumulation
III.3.1.2. Réservoirs à double enveloppe
III.3.1.3.Réservoirs à serpentins
III.3.1.4 Réservoirs combinés
III.3.1.5 Réservoirs avec échangeur externe
III.3.2 Protection des ballons
III.4.L’appoint (type et régulation)
III.4.1 La position du système d’appoint
III.4.1.1. Appoint dans le stockage
III.4.1.2 Appoint en série avec le stockage
III.4.1.3.Appoint en parallèle avec le stock
III.4.1.4.Appoint complètement séparé
III.4.2 Régulation
III.4.2.1 Appoint pour systèmes combinés (chauffage et eau chaude sanitaire)
III.4.2.2 Régulation par réservoir d’accumulation type « tank in tank »
III.4.2.3 Régulation pour deux réservoirs d’accumulation avec vanne directionnelle
III.4.2.4. Régulation pour deux réservoirs d’accumulation avec échangeur de chaleur
III.5. La distribution
V. Dimensionnement des équipements solaires
V.1. Capteurs
V.1.1.Calcule des déperditions
V.1.1.1. Déperditions thermique a travers l’enveloppe du bâtiment
V.1.1.2 Déperdition par renouvèlement d’air
V.1.2.Estimation des besoins de chauffage
V.1.2.1 Calcul du coefficient de déperdition thermique
V.1.2.2 Apports internes
V.1.2.4. Calcul des degrés-jours (ndj)
V.1.2.5. Calcul des besoins mensuels de chauffage
V.1.2.6. Estimation des apports solaires
V.1.2.6. 1. Puissance solaire utile
V.1.2.6. 2 Capteur utilisé
V.1.3. Estimation des besoins en eau chaude sanitaire
V.1.4. Surface de captation du système
V.2. transfert
V.2.1 Circuit chauffage
V.2.1.1. Choix et dimensionnement des radiateurs
V.2.1. 2.Calcul du débit des radiateurs
V.2.1. 3. Calcul du volume d’eau des radiateurs
V.2.1. 4. Evaluation de la robinetterie des radiateurs
V.2.1.4. Evaluation du diamètre d’alimentation des radiateurs
V.2.1.5 Dimensionnement du diamètre de la tuyauterie d’alimentation principal
V.2.1.5.1 Calcul du débit dans la tuyauterie
V2.1.5.2 Calcul du diamètre de tube
V.2.1.6. Choix du calculateur circuit chauffage
V.2.2. Circuit eau chaude sanitaire
V.2.2.1. Choix de la tuyauterie
V.2.2.2. Choix de circulateur
V.2.3. Circuit panneaux solaires
V.2.3.1. Choix de la tuyauterie
V.2.3.1.1Dimensionnement du serpentin (solaire)
V.2.3.2. Choix du circulateur
V.2.3.3Dimensionnement de la vase d’expansion
V.3. Stockage
V.4. Appoint
V.5. Conclusion
Chapitre V : Régulation du système de chauffage
I. Introduction
I.1 Régulation en boucle ouverte
I.2 Régulation en boucle fermée
I.3 Différents modes de régulation
I.3.1 Régulation par-tout ou rien
I.3.2 Commande d’un processus
II. Application à la régulation d’un bâtiment
II.1 Application à la régulation dans notre bâtiment étudié
III. Courbe de chauffe
III.1 Principe d’une courbe de chauffe
III.2Calcul de la pente de la courbe de chauffe
IV. Conclusion
Télécharger le rapport complet
