Gisement solaire et la cheminée solaire

Analyse de la cheminée solaire verticale

K.S. Ong et al [2] proposent un modèle mathématique afin de déterminer la performance d’une cheminée solaire pour différentes paramètres thermiques et géométriques. Ils ont étudié les équations de transfert de chaleur, en utilisant des corrélations entre les coefficients de transfert de chaleur. Les valeurs de flux d’air dans le conduit sont basées sur les températures moyennes d’écoulement d’air. Ces équations sont résolues en utilisant la technique de la matrice inverse. La performance de la cheminée a été évaluée par la détermination des températures du vitrage et de mur absorbant et la vitesse d’air dans la cheminée. Les effets de l’intensité du rayonnement solaire sur la performance de la cheminée ont été étudiés. Afin de vérifier le modèle théorique, des expériences ont été faites sur un modèle physique de 2 m de longueur avec des entrées d’air de 0.1, 0.2 et 0.3 m. L’expérience a été réalisée sur un toit exposé aux rayonnements solaire direct et diffus. Les vitesses d’air entre 0,25 m/s et 0,39 m/s ont été obtenues pour une intensité radiative de 650 W/m2. Ils n’ont observé aucune circulation inverse d’air même pour un grand espace de 0,3 m. Ils trouvent un bon accord entre les résultats expérimentaux et théoriques pour l’écoulement de l’air et de l’augmentation de la température de l’air.

Jyotirmay Mathur et al [3] ont évalué la possibilité d’utiliser le rayonnement solaire pour induire la ventilation d’une pièce dans des climats chauds. L’étude expérimentale sur une cheminée solaire de petite taille montre que le taux de ventilation augmente avec l’augmentation du rapport entre la hauteur et la largeur de la cheminée. Le taux le plus élevé de la ventilation (coefficient de changement d’air par heure) est de 5 à 6 pour une salle de 27m3 et un rayonnement solaire de 700 W/m2 sur une surface verticale d’une cheminée de 1m d’hauteur. Les résultats théoriques du modèle proposé ont un bon accord avec les résultats expérimentaux. Ils ont conclus que le débit d’air augmente d’une façon linéaire avec l’augmentation du rayonnement solaire, et l’augmentation de la distance entre l’absorbeur et la vitre.

En outre, le taux de ventilation dépend aussi de plusieurs paramètres tels que le rapport entre la section d’entrée et la section de sortie. M. Macias et al [4]: présentent une approche pratique pour améliorer la ventilation passive pendant la nuit dans un logement social par l’application de concept de la cheminée solaire. Au lieu d’une ventilation forcée par ventilateur, ils ont employé une masse thermique élevée accessible dans le bâtiment construit pour rassembler l’énergie solaire durant l’après-midi, où la température des murs en béton peut atteindre (50°C). Chaque appartement avait une cheminée séparée avec un aileron en haut qui était fermé pendant l’accumulation de l’énergie. Pendant la nuit où la température ambiante descend jusqu’à environ 20°C, les ailerons seront ouverts produisant un début de refroidissant des masses thermiques du plafond et des murs des appartements.

G.GAN et al [5] ont étudié les problèmes posés par l’utilisation des cheminées solaires avec simple ou double vitrage. Ils ont montré que le triple vitrage peut réduire les risques de condensation et de courant d’air descendant en hiver froid (figure I.1). L’utilisation des caloducs pour la récupération de la chaleur dans la cheminée solaire augmente non seulement la chute de pression mais diminue également la flottabilité thermique et donc les taux de ventilation. Guohui Gan [6] a étudié des cavités ouvertes comportant les cheminées solaires à doubles faces pour augmenter la ventilation naturelle des bâtiments. Un model CFD a été employé pour prévoir la circulation d’air turbulente et le transfert de chaleur dans une cavité ouverte. Le modèle numérique a été validé par des résultats expérimentaux de la littérature. Un bon accord entre les résultats a été observé. L’effet de la largeur des cheminées solaires à doubles faces sur le taux de ventilation a été étudié.

L’effet de l’inclinaison sur la cheminée solaire

Jyotirmay Mathur et al [11] ont étudié l’effet de l’inclinaison de la cheminée solaire sur le débit d’air dans un système de ventilation naturelle par l’utilisation de la cheminée. Pendant les mois d’été, quand l’altitude du soleil est plus élevée, la cheminée à la petite inclinaison avec le plan horizontal capte une grande partie du rayonnement solaire, Les résultats de l’étude montrent que l’inclinaison optimale de la cheminée varie de 40° à 60° selon la latitude de l’endroit. A Jaipur (Inde), l’inclinaison 45° s’avère un optimum pour obtenir le taux maximal de ventilation. A cette inclinaison, le taux de ventilation est d’environ 10% plus meilleur par rapport à 60° et 30°d’inclinaisons. Les investigations expérimentales montrent la bonne concordance avec les résultats théoriques. La cheminée solaire de toit de cette taille peut facilement être montée sur les bâtiments résidentiels pour augmenter la ventilation naturelle. Ramadan Bassiouny et al. [12] ont étudiés une cheminée solaire placé sur un toit incliné figure (I.9) pour voir l’influence de l’inclinaison sur le comportement thermique de la cheminée. Les résultats montrent que l’inclinaison influe considérablement sur le taux de ventilation et sur le débit d’air qui traverse la cheminée. Cette étude montre que l’angle optimal d’inclinaison de la cheminée varie entre 45° et 75° pour une latitude de 28.4°.

Tawit Chitsomboon et al [13] proposent une nouvelle technique solaire pour la ventilation dans le bâtiment, où le toit et la cheminée transparents sont utilisés pour induire la circulation de volume d’air élevé pour aérer le bâtiment aussi bien que pour refroidir les habitants. La force d’entraînement de l’écoulement est la flottabilité créée par la salle de grenier sous le toit transparent. L’écoulement est encore augmenté par la cheminée attachée au dessus de toit. Le CFD a été employé pour simuler la circulation d’air mentionnée à de divers paramètres significatifs tels que, l’inclinaison de toit, taille de la cheminée, l’intensité solaire et la forme de toit. Ils l’ont constaté que des débits d’air raisonnables ont été réalisés dans des conditions confortables dans le secteur rural du tropique. Zoltan Adam et al [14] présentent une simulation mathématique détaillée et une étude expérimentale sur le flux d’air dans une cheminée solaire.

Le modèle de cheminée solaire est considéré comme un canal simple vitré d’un côté et un mur collecteur de l’autre côté, et d’une épaisseur et un angle d’inclinaison variables. Pendant les expériences, la vitesse de l’air dans la cheminée dépend de la distance entre le plan chauffé et le vitrage. Les résultats des expériences et de simulation sont présentés dans une série de graphiques. Le modèle de simulation a donné les débits pour une large gamme de variables. Ils ont conclu qu’il y a quelques différences, qui peuvent ensuite être éliminées à l’aide des équations plus précises pour calculer l’épaisseur de la couche limite et le coefficient de transfert de la chaleur. Le débit maximum est atteint pour une inclinaison de 45 degrés. L’étude de D.J. Harris et al. [15] est consacrée à la conception d’une cheminée solaire pour induire la ventilation dans un bâtiment. Des techniques de modélisation utilisant des codes CFD ont été employées pour évaluer les impacts de l’angle d’inclinaison et double vitrage sur le taux de ventilation. Ils ont constaté que pour une cheminée intégrée à la face sud, et un angle d’inclinaison de 67.5° par rapport à l’horizontal était optimum pour l’endroit choisi, donnant une efficacité plus grande de 11% que la cheminée verticale, et cela un rendement plus élevé de 10% a été obtenu en employant une surface de mur de basse émissivité.

Cheminée solaire associé à une autre technique de ventilation

Sompop Punyasompun et al [16] se sont intéressés à l’utilisation de la cheminée solaire dans le gratte-ciel. A cet effet, deux modèles à échelle réduite d’un bâtiment à trois niveaux ont été étudiés. Les cheminées solaires étaient intégrées dans les murs face-sud. Deux configurations ont été considérées comprenant la cheminée solaire connectée et non connectée: Le premier est une cheminée solaire avec une ouverture d’admission à chaque plancher et une ouverture de refoulement au troisième plancher. Tandis que pour la seconde, les ouvertures d’admission et les ouvertures de refoulement ont été installées à chaque plancher. Les données enregistrées sont la température ambiante et la vitesse de la circulation d’air dans les conditions climatiques de Bangkok.

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Table des matières

Introduction générale
Chapitre I : Recherche bibliographique
I.1 Introduction
I.2 Analyse de la cheminée solaire verticale
I.3 L’effet de l’inclinaison sur la cheminée solaire
I.4 Cheminée solaire associé à une autre technique de ventilation
Chapitre II : Gisement solaire et la cheminée solaire
II.1 Introduction
II.2 Généralité sur le transfert thermique
II.2.1 La conduction
II.2.2 La convection
II.2.3 Le rayonnement
II.3 Energies en générales
II.3.1 définition
II .3.2.Ressources énergétiques mondiales
II.3.3 situation énergétique en Algérie
II.3.4 Energie renouvelables
II.3.5 type des énergies renouvelables
II.3.6 Energie solaire
II.3.6.1 Energie solaire thermique
II.3.6.1.1 Le soleil
II.3.6.1.2 Rayonnement solaire hors atmosphère
II.3.6.1.3 Le spectre solaire
II.3.6.1.5 Mouvement de la terre autour du soleil
II.3.6.1.6 Mesure du rayonnement solaire
II.3.6.1.7 La sphère céleste
II.3.6.1.8 Coordonnées célestes
II.3.6.1.9 Temps solaire
II.3.6.1.10 Estimation horaire de l’ensoleillement
II.3.6.1.11 Calcul du rayonnement journalier moyen mensuel
II.3.6.2 La cheminée solaire
II.3.6.2.1 Les différentes configurations de cheminée solaire
Chapitre III : La ventilation et la ventilation naturelle
III.1Introduction
III.2 Définition des bâtiments à basse consommation
III.3 Définition de la ventilation
III.4 Pourquoi aérer ou ventiler
III.4.1 Pour le confort
III.4.2 Pour la santé
III.4.3 Pour le bâtiment
III.5 Comment faire
III.5.1 Naturellement
III 5.2 Mécaniquement
III.6 La ventilation naturelle
III.6.1 Les fonctions de la ventilation
III.6.1.1 Le tirage thermique
III 6.1.2 La ventilation naturelle par ouverture des fenêtres
III.6.1.3 La ventilation naturelle par conduits verticaux
III 6.1.4 Ventilation naturelle assistée par l’énergie solaire
III 6.1.5 La ventilation hybride
III 6.2 Avantages de la ventilation naturelle
III 6.3 Caractéristiques
III 6.4 Différentes cavités utilisé en ventilation naturelle
III.6.4.1 Le mur trombe
III.6.4.2 La façade à double peau
III.6.4.3 Les écopes
III.6.4.4 Les tours à vent
III.6.4.5 Les dômes
III.6.4.6 La cheminée solaire
III 6.4.6.1 Effet de cheminée
III 6.4.6.2 Principe d’écoulement
III 6.4.6.3 Modes d’opérations d’une cheminée solaire
III 6.4.6.4 Types de cheminée solaire
III.7 Caractéristiques climatique de l’Algérie
III.7.1 Données géographiques
III.7.2 Zones climatiques en Algérie
Chapitre IV : Etude du comportement thermique de la cheminée solaire
IV.1 introduction
IV.2 Principe de fonctionnement de la cheminée
IV.2.1 Orientation
IV.2.2 Une forte inertie thermique
IV.3 approche pour la modélisation mathématique
IV.3.1 Analyse mathématique
IV.4 Fonctionnement de base d’une cheminée solaire
IV.4.1 Objectif
IV.4.2 Les bilans énergétiques
IV.4.2.1 Bilan énergétique au niveau du vitrage
IV.4.2.2 Bilan énergétique au niveau de l’air qui traverse la cheminée
IV.4.2.3 Bilan énergétique au niveau de l’absorbeur
IV.4.3 Corrélation théorique pour calculer les coefficients de transfert thermique
IV.4.4 Données du problème
IV.4.5 Résultats et discutions
IV.4.5.1 Validation du modèle mathématique
IV.4.5.2 Influence du rayonnement solaire
IV.4.5.3 Influence de l’angle d’inclinaison
IV.4.5.4 L’influence des paramètres géométriques sur ACH
Chapitre V : Etude numérique de la ventilation naturelle par la cheminée solaire
V.1 Introduction
V.2 Equations générales en régime laminaire
V.3 Principes des codes CFD
V.4 Etude comparative entre des différentes géométries à l’aide de code de champs Fluent.
V.4.1.1 Description du phénomène
V.4.1.5 La convergence
V.4.2 Résultats obtenus dans le cas de la géométrie simple
V.4.2.1 l’influence de la largeur de la cheminée
V.4.2.1.1 Champs de vitesse et les lignes de courants
V.4.2.1.2 Contours de la température
V.4.2.2 Influence de l’intensité du rayonnement solaire
V.4.2.2.1 Champs de vitesse
V.4.2.2.2 Contours de la température
V.4.2.3 Influence de l’angle d’inclinaison de la cheminée
V.4.2.3.1 Champs de vitesse
V.4.2.3.2 Contours de la température
V.4.2.4 Effet de la position de l’ouverture
V.4.2.4.1 Champ de vitesse et les lignes de courant
V.4.2.4.2Contours de température
V.4.3 Cas de géométrie complexe (deux chambres à coté)
V.4.3.1 champ de vitesse et les lignes de courant
V.4.3.2 Contours de température
Conclusion générale
Annexe: Introduction au code du fluent
Bibliographique