Généralités sur les transferts thermiques

Face aux menaces d’épuisement des ressources en énergie fossile et aux impacts environnementaux désastreux ainsi qu’aux dépenses économiques qu’ils engendrent, les scientifiques du monde entier s’attellent à trouver des sources énergétiques de remplacement de l’énergie fossiles. Ainsi ils optent, entre autres, pour l’exploitation de l’énergie quasi-inépuisable diffusée par le Soleil sur la Terre pour le chauffage direct ou indirect d’une maison d’habitation via l’utilisation des techniques dites passives. A cet effet, différentes technologies sont utilisées et nous pouvons citer l’utilisation d’un mur capteur ou mur trombe.

Des nombreux travaux sont déjà réalisés au niveau de notre laboratoire sur la climatisation passive. A titre d’illustrations, nous citons le travail de RANDRIAMANALINA Justin, qui porte sur la modélisation de l’effet du mur Trombe sur le confort thermique d’un local [14], celui de ANDRIANIAINA Harimalala, axé sur la modélisation de l’habitat type Tsipoy du Trano Gasy Vaovao dans la région d’Antananarivo, en cherchant des solutions passives [1], celui de RAJAONARIVELO Jeannot Arsène, pour la réalisation d’un code de simulation thermique, aéraulique et hydrique de l’habitat à Madagascar [11] et de RAKOTO Joseph Onimihamina, portant sur la contribution aux validation et application du code de calcul de simulation thermique de l’habitat (CODYMA) tout en proposant des recommandations dans la construction à Madagascar [12], et parmi tant d’autres. Quant à nous, notre travail contribue à la modélisation d’un mur Trombe favorisant l’apport de confort thermique pendant la période hivernale.

Généralités sur les transferts thermiques

Le transfert de chaleur au sein d’un système ou, plus généralement, entre plusieurs systèmes, se fait de trois façons différentes qui sont la conduction, la convection et le rayonnement.

Transfert de chaleur par conduction

Loi de Fourier
Le transfert de chaleur par conduction est un transport de chaleur dans un milieu immobile. Ce mode de transport de chaleur est le seul qui existe au sein d’un solide opaque. Dans les liquides et les gaz, le transport de chaleur par conduction est souvent négligeable devant la convection et le rayonnement .

Notion de confort thermique

La sensation de confort est liée à la faculté du corps humain à maintenir son équilibre thermique avec un niveau d’effort minimum [20]. L’autorégulation physique de la température du corps humain s’effectue suivant différents modes de transfert de chaleur qui sont, principalement, la convection, le rayonnement, l’évaporation, la conduction s’effectuant de manière très faible, la respiration et la sécrétion [7]. La notion de confort thermique est étroitement liée à des adaptations à la fois globale et locale de la régulation thermique du corps humain face à son environnement. La perception du froid et du chaud est alors individuelle et dépend de nombreux paramètres comme le sexe, l’âge, la santé, la nourriture, les vêtements, l’activité physique…

Paramètres de confort thermique

Il est possible de caractériser des zones moyennes de confort que l’on définit de manière statistique, en sachant que les paramètres d’ambiance déterminants sont :

• La température de l’air et la température radiante moyenne. La température résultante est fonction de la température de l’air Tₐ et de la température radiante moyenne Tᵣₘ ou température opérative. Pour une pièce fermée, sa température Tᵣₑₛ est définie par :

Tᵣₑₛ = 0,45.Tₐ + 0,55.Tᵣₘ (1.21)

Et pour une pièce ventilée naturellement, elle est telle que :

Tᵣₑₛ = 2/3.Tₐ + 1/3.Tᵣₘ. (1.22)

• La vitesse de l’air. La vitesse de l’air est relative à l’air intérieur d’une pièce et sa valeur est comprise entre 0,3m.s-1 à 0,5m.s-1 selon la sensibilité des occupants .
• L’humidité de l’air. En confort d’hiver, la température de l’air est aux environs de 20°C pour une humidité relative comprise entre 40 % et 60 %. En été, la température de l’air confortable dépend de l’humidité pour une vitesse de l’air donnée. Par exemple, si l’humidité est de 50 %, la température de l’air doit être inférieure à 28°C mais si l’humidité est de 70%, il faut une température de l’air inférieure à 26°C [7].
• Le métabolisme [1]. Au repos, le métabolisme est le plus faible sous les conditions de confort. Pendant l’activité physique, la température du corps augmente sous l’effet de la production supplémentaire de chaleur dans les muscles en exercice, outre la chaleur métabolique, et elle se stabilise à nouveau. Lorsqu’ un homme est soumis à un environnement froid, sa production de chaleur métabolique s’accroît et la chaleur ainsi produite est supérieure à sa valeur pour le confort.
• Les vêtements [1]. Pour un corps humain vêtu, l’échange de chaleur par convection et par rayonnement dépend du vêtement, étant donné que la plus grande partie de l’échange de chaleur se produit à la surface externe du vêtement et affecte seulement le corps lui-même mais de manière indirecte. La tenue vestimentaire réduit aussi la sensibilité du corps aux variations de la température et la vitesse de l’air.

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Table des matières

INTRODUCTION
I.1 Généralités sur les transferts thermiques
I.1.1 Transfert de chaleur par conduction
I.1.1.1 Loi de Fourier
I .1.3 Transfert de chaleur par convection
I.1.4 Transfert de chaleur par rayonnement
I.2 Notion de confort thermique
I.2.1 Introduction
I.2.2 Paramètres de confort thermique
I.2.3 Indice de confort thermique
II.1 Description et principe du mur trombe
II.1.1 Le mur trombe
II.1.2 Principe du mur trombe
II.1.3 Bilan thermique de la paroi et l’air
II.1.4 Echange de chaleur à travers les orifices
II.2 Mise en équation du système
II.2.1 Représentation des échanges thermiques au sein du système
II.2.2 Equivalence entre transfert de chaleur et transfert d’énergie électrique
II.2.3 Analogie électriques des échanges thermiques du système
II.3 Calcul sur le rayonnement
II.3.1 Calcul de rayonnement incident
II.4 Calcul des puissances PV et Pm
II.4.1 Système simple vitrage
II.4.2 Système double vitrage
II.5 Modèles des coefficients d’échanges radiatifs
II.6 Modèles des coefficients d’échange convectifs
II.7 Puissance globale reçue par la lame d’air
III.1 Description des modèles
III.1.1 Modèle DesignBuilder
III.1.2 Modèle Trano Gasy Vaovao
III.2 Méthode de résolution
III.2.1 DesignBuilder
III.2.2 Méthode itérative de Gauss-Seidel
III.3 Résultats et interprétations
III.3.1 Résultat modèle DesignBuilder
III.3.2 Résultats de notre modèle
CONCLUSION
Références Bibliographiques