Soutenance mémoire
Écoulement d’air en zone urbaine
Dans ce projet de recherche, le vent est analysé dans un milieu urbain et dans la sous-couche rugueuse, puisque cela correspond aux zones dans lesquelles sont installés des collecteurs solaires perforés. Comme évoqué précédemment, au sein de la sous-couche rugueuse, les obstacles tels que les bâtiments ont une forte influence sur les variations de la vitesse et de la direction du vent. Une attention particulière est donc portée à l’influence des bâtiments sur les lignes de courant de l’écoulement d’air. Des études en soufflerie ainsi que des études de terrain ont permis d’établir que l’écoulement à proximité d’un obstacle est fortement perturbé aux abords de celui-ci. Comme présenté sur la Figure 1.1, les lignes de courant sont déviées par l’obstacle et il se crée des zones de recirculation et de stagnation de l’air au niveau du toit. Dans la Figure 1.1, la zone A correspond à l’écoulement d’air non perturbé. Dans la zone B, l’écoulement commence à dévier et en C se situe une zone de recirculation de l’air, enfin la zone D correspond au retour de l’écoulement vers son aspect initial. La zone entourée par un trait pointillé représente l’espace au sein duquel l’écoulement d’air a été perturbé par le bâtiment. Le vent génère une distribution de pression sur un bâtiment qui dépend notamment de la direction et de la vitesse du vent, de la densité de l’air, de l’orientation de la surface et des conditions environnantes. Généralement, les pressions dues au vent sont positives lorsque le vent fait face et négatives lorsque le vent provient de derrière.
Cependant, l’angle que fait le vent avec la surface qu’il frappe peut générer des pressions positives et négatives sur une même surface (ASHRAE, 2009). Selon ASHRAE, la pression locale peut être jusqu’à trois fois celle existant au niveau du toit. Ainsi pour une vitesse de vent de 5 m/s, la pression est de 15 Pa pour des conditions atmosphériques standards ce qui peut entrainer une pression négative sur le bâtiment jusqu’à -45 Pa. Il est complexe d’évaluer la vitesse du vent à proximité d’une surface verticale comme un mur extérieur en raison notamment des zones de recirculation et de la turbulence de l’écoulement d’air. Cependant, selon RETScreen international (2011), la vitesse du vent à la surface d’un mur vertical (ou d’un collecteur solaire perforé) représente environ 35 % de celle dans la zone non perturbée. De plus, Vasan (2012) a établi, à l’aide d’études en soufflerie, que la vitesse du vent atteignant la surface d’un UTC est en moyenne 20 % plus importante lorsqu’il y a des bâtiments environnants puisque cela engendre des turbulences et des accélérations de l’écoulement d’air. De plus, la répartition de la vitesse du vent à la surface de l’UTC n’est jamais uniforme ce qui suppose que l’aspiration de l’air ne se fait pas non plus uniformément. Des résultats semblables seraient probablement obtenus pour un collecteur TTC en raison d’une géométrie sensiblement similaire à celle de l’UTC.
Influence du vent sur les performances d’un UTC Au moment de la rédaction de ce document, aucune étude portant sur les collecteurs perforés transparents (TTC) ne prenait en considération la vitesse et la direction du vent. La section suivante présente donc uniquement les résultats d’études scientifiques obtenus pour des collecteurs perforés opaques (UTC). En condition réelle d’utilisation, la plaque perforée d’un UTC est soumise à deux mécanismes opposés ; d’une part, le vent engendre des pertes thermiques puisqu’il a tendance à décrocher la couche limite thermique présente à la surface de la plaque perforée ; d’autre part, cette même couche limite est aspirée à travers les perforations en raison de la dépression créée par le ventilateur. Le vent est un phénomène complexe et aléatoire et, les résultats des études s’intéressant à l’influence de ce phénomène sur la performance des UTC divergent. Selon certaines études, la vitesse et la direction du vent n’a pas d’influence sur les performances d’un collecteur solaire perforé puisque la dépression créée par le ventilateur est suffisante pour aspirer entièrement la couche limite de l’écoulement à travers la plaque perforée même si cette couche limite est perturbée par le vent (Gao et Fang, 2011; Kutscher, 1992).
Ainsi, selon une étude expérimentale réalisée en extérieur et menée par Gao, Bai et Fang (2011), le rendement d’un collecteur solaire perforé n’est pas influencé significativement par la variation de la vitesse du vent. En effet, celui-ci reste stable lorsque la vitesse du vent varie de 0 à 5,7 m/s durant deux séries de données de quinze minutes, pour des débits d’aspiration de 0,028 et 0,065 m³/(s×m²). Dans cette étude, la direction du vent n’a été analysée. Selon les recherches de Kutscher, Christensen et Barker (1993), les pertes convectives avec l’extérieur sont négligeables pour des débits d’aspiration typiquement utilisés pour opérer des UTC. Cependant, pour de faibles débits d’aspiration, une chute du rendement d’environ 10 % peut être observée lorsque la vitesse du vent atteint 5 m/s (Kutscher, Christensen et Barker, 1993). En effet, l’augmentation de la vitesse du vent a tendance à engendrer une diminution de la température de la surface de la plaque perforée, ce qui a pour effet de diminuer l’efficacité du collecteur solaire (Deans et Weerakoo, 2008). Aucune analyse concernant l’influence de la direction du vent n’a été faite dans ces études. En plus de cela, une étude numérique de Gunnewiek, Brundrett et Hollands (1996) a mis en évidence le fait qu’occasionnellement l’air sort par les perforations du haut du collecteur solaire plutôt que de rentrer dans celles-ci en raison de l’effet combiné de la poussée d’Archimède et du vent. C’est pour cette raison que, pour contrer ce phénomène, il est recommandé de maintenir une chute de pression d’au moins 25 Pa (Barker et Kiatreungwattana, 2011; Kutscher, Christensen et Barker, 1993), de privilégier des collecteurs solaires de petites dimensions ayant de faibles porosités et opérant à des vitesses de succion élevées (Barker et Kiatreungwattana, 2011).
Une étude expérimentale menée, en conditions extérieures, par Cordeau et Barrington (2011) démontre également le fort impact du vent sur le rendement d’un UTC. En effet, selon leurs conclusions, lorsque la vitesse du vent augmente de 1 m/s, le rendement d’un UTC diminue de 6 %, et ce indépendamment de la direction du vent. Le rendement trouvé est en moyenne de 65 % pour des vitesses de vent inférieures à 2 m/s et d’environ 25 % pour des vitesses excédant 7 m/s. Ces résultats sont valides dans le cas de journées ensoleillées et pour un UTC opéré avec de faibles vitesses d’aspiration (0,016 m³/(s×m2)). Ces résultats sont cohérents avec ceux trouvés précédemment par Frank, Budig et Vajen (2006), qui concluent que pour des débits d’aspiration faibles de l’ordre de 0,028 m3/(s×m2), lorsque la vitesse du vent est de 5 m/s, les pertes convectives dues aux vents deviennent aussi importantes que les pertes radiatives avec l’environnement extérieur. D’autres études réalisées en soufflerie et en grandeur nature confirment ces résultats et concluent que, quelle que soit la direction du vent, pour des débits d’aspiration compris entre 0,012 et 0,035 m³/(s×m2), une augmentation de la vitesse du vent de 1 m/s à 3 m/s engendre une diminution du rendement d’un UTC d’environ 20 % (Bambara, 2012; Vasan et Stathopoulos, 2014).
Ces conclusions sont en adéquation avec une précédente étude menée par Maurer (2004) et dont la gamme de vitesse de vent testée s’étalait jusqu’à 6 m/s. Néanmoins, ces résultats ont été obtenus pour des vitesses d’aspiration faibles et inférieures à celles recommandées dans l’étude numérique menée par Gunnewiek, Hollands et Brundrett (2002). En effet, selon ces auteurs, les effets du vent ne peuvent être contrés que lorsqu’un UTC est opéré à des débits d’aspiration supérieurs à 0,026 m³/(s×m2) pour des vents venant face au collecteur et à 0,039 m³/(s×m2) pour un vent incident à 45° par rapport à la surface du collecteur. Finalement, bien que plusieurs études affirment que la direction du vent n’a pas d’influence sur le rendement et l’efficacité d’un collecteur solaire perforé, certaines études démontrent le contraire. Ainsi, selon l’étude expérimentale réalisée par Meier (2000), la direction de vent joue un rôle et les meilleurs rendements sont obtenus lorsque le vent provient de la direction opposée à la surface des collecteurs puisque cela crée une zone de recirculation de l’air favorisant les échanges thermiques. Inversement, la direction la plus néfaste pour le rendement semble être celle à 45° par rapport à la surface du collecteur. En effet, d’après les résultats expérimentaux obtenus en soufflerie par Vasan et Stathopoulos (2014), cette direction du vent aurait tendance à augmenter la vitesse du vent au niveau de la surface du collecteur solaire et ainsi d’augmenter les pertes thermiques par convection. Les résultats ont montré que, pour cette direction, la vitesse du vent à la surface d’un collecteur peut être jusqu’à 50 % supérieure à celle mesurée sur le toit du bâtiment. Par contre, pour une direction du vent parallèle ou perpendiculaire à la surface du collecteur, la vitesse mesurée à la surface du collecteur est inférieure à celle mesurée sur le toit.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE BIBLIOGRAPHIQUE
1.1 Évolution du rendement thermique d’un UTC et d’un TTC en fonction de divers paramètres
1.1.1 Débit d’aspiration
1.1.2 Rayonnement solaire incident
1.1.3 Géométrie des perforations : diamètre et pas
1.1.4 Profondeur du plénum
1.1.5 Conductivité thermique de la plaque d’un UTC
1.1.6 Absorptivité et émissivité de la plaque d’un UTC
1.2 Interaction entre le vent et les collecteurs solaires perforés
1.2.1 Écoulement d’air en zone urbaine
1.2.2 Influence du vent sur les performances d’un UTC
CHAPITRE 2 DESCRIPTION ET FONCTIONNEMENT DU DISPOSITIF EXPÉRIMENTAL
2.1 Dispositif expérimental
2.1.1 Caractéristiques du TTC étudié
2.1.2 Caractéristiques de l’UTC étudié
2.1.3 Système d’aspiration de l’air
2.1.4 Vieillissement des collecteurs solaires perforés
2.2 Instrumentation et acquisition de données
2.2.1 Système d’acquisition HOBO
2.2.2 Mesures de températures
2.2.3 Mesures du rayonnement solaire incident
2.2.4 Mesures de la vitesse d’aspiration de l’air
2.2.5 Calcul du débit d’aspiration de l’air
2.2.6 Mesures des composantes du vent
2.3 Validité et fiabilité des instruments de mesure utilisés
CHAPITRE 3 RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUX
3.1 Énergie de préchauffage mensuelle pour les deux collecteurs
3.1.1 Correction hivernale des données brutes
3.1.2 Énergie de préchauffage en journée avec un ciel clair
3.1.2.1 Débit d’aspiration de 0,035 m³/(s×m²)
3.1.2.2 Débit d’aspiration de 0,020 m³/(s×m²)
3.1.3 Énergie de préchauffage en journée avec un ciel mi-clair
3.1.3.1 Débit d’aspiration de 0,035 m³/(s×m²)
3.1.3.2 Débit d’aspiration de 0,020 m³/(s×m²)
3.2 Influence des conditions météorologiques sur les collecteurs solaires perforés
3.2.1 Influence des précipitations sur le débit d’aspiration
3.2.2 Influence de la vitesse et de la direction du vent sur les performances
3.3 Répartition des températures dans les plénums des collecteurs solaires perforés à air
3.3.1 Influence de la saison
3.3.2 Influence du débit d’aspiration
3.3.3 Influence de la configuration des TTC (avec ou sans fentes)
3.3.4 Validation par imagerie thermique
3.4 Analyse économique succincte
CONCLUSION
ANNEXE I CARACTÉRISTIQUES DES CAPTEURS DE TEMPÉRATURE
ANNEXE II CARACTÉRISTIQUES DES CAPTEURS DE RAYONNEMENT
ANNEXE III CARACTÉRISTIQUES DES ADAPTATEURS
ANNEXE IV CERTIFICAT DE CALIBRATION
ANNEXE V CARACTÉRISTIQUES DE L’ANÉMOMÈTRE
ANNEXE VI ÉTALONNAGE DES CAPTEURS DE TEMPÉRATURE
ANNEXE VII RÉSULTATS EN JOURNÉES AVEC UN CIEL COUVERT
ANNEXE VIII CORRÉLATION D’ERBS
ANNEXE IX INCERTITUDE DE MESURE
ANNEXE X PUBLICATIONS
BIBLIOGRAPHIE
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