La climatisation solaire passive et architecture bioclimatique

Evolution de la température de l’eau dans le tube

Pour modéliser l’écoulement de l’eau le long du tube, les hypothèses suivantes sont prises en compte :
 Les températures de la dalle flottante et porteuse sont supposées uniformes ;
 La résistance thermique de l’eau est négligeable devant celle du béton et de l’isolant ;
 Le gradient de température suivant l’axe polaire est supposé nul ;
 La température de l’eau sur une section de tube donné est uniforme ;
 Pas de production interne de chaleur ;
 Les tubes du plancher sont disposés de manière très simple ; la disposition simplifiée est donnée par la figure ci-dessous.

Introduction

Toute approche théorique d’un système thermique nécessite une confrontation avec des résultats expérimentaux pour valider les résultats apportés par la modélisation. C’est ainsi que nous avons effectué la partie expérimentale du plancher rafraichissant. Les tests sont effectués au laboratoire en technologie de climatisation de l’Université d’Application Technique THM de Giessen en Allemagne.

Description de la cellule expérimentale

Elle a une forme parallélépipédique. La longueur est égale à 6 m. La largeur et la hauteur mesurent respectivement 4 m et 3 m. Les trois parois sont bois et la devanture est en vitrage.

Description des appareils

Nous avons des modules hydrauliques qui permettent de chauffer le plafond ou de rafraîchir le plancher (fig.2-3). Dans la cellule d’expérimentation on a une caméra thermique, des sondes thermiques, deux trépieds verticales en papiers blanc et deux autres en fer. La caméra thermique et les sondes de température sont reliées à un ordinateur à l’extérieur de la cellule expérimentale. Les trépieds en papiers permettent de déterminer la température de l’air du local en différents points de haut en bas. Les sondes thermiques utilisées sont de type pt 100 (-50 à 160 0 C). Elles transforment l’effet du refroidissement ou du réchauffement sur leurs composants en un signal électrique.

La caméra thermique et les sondes

Le caméra thermique permet de visualiser les éléments qui sont dans la cellule de test tels que les trépieds en papiers. Il contrôle automatiquement à l’aide des trépieds en papiers la distribution et l’évolution des températures dans la cellule de test. Les sondes de température sont reparties sur les trépieds en fer. Elles déterminent l’évolution de la température de l’air du local. Des détecteurs de températures sont également liés aux modules hydrauliques pour pouvoir déterminer les températures de départ et de retour d’eau. L’évolution de la vitesse de l’air dans la cellule expérimentale est donnée par des anémomètres.

Le circuit de distribution

Il est composé des éléments suivants :
 Des capteurs thermiques pour la production d’eau chaude. Cette eau chaude peut être utilisée directement en mode chauffage. Elle peut aussi être utilisée pour le fonctionnement du système de production d’eau froide par adsorption en mode froid.
Cela permettra au système d’être autonome au circuit électrique classique.
 Des ballons de stockage d’eau chaude et froide;
 D’un système de production d’eau froide par adsorption;
 Du plancher rafraichissant et du plafond chauffant;
 Des systèmes indépendants du système solaire pour produire de l’eau chaude ou froide en période sans soleil;
 Et des organes de connexions (tubes, pompes, vanne, débitmètre etc.).
Ce système va nous permettre de chauffer ou de rafraîchir exclusivement avec l’énergie solaire. Il permet alors une autonomie vis-à-vis du réseau électrique classique, donc d’économiser d’avantage d’énergie pour la climatisation qui est le secteur le plus consommateur d’énergie dans le bâtiment.
La visualisation des paramètres de sortie du système (températures, débit, vitesse de l’air etc.) en mode chauffage ou en mode froid est faite sur ordinateur (fig.2-4).

Résultats et discussions

Nous avons en première lieu chauffé le plafond avec le module hydraulique 1 afin de pouvoir se rapprocher des conditions climatiques du Sénégal. Ensuite nous avons arrêté le système de chauffage et démarré automatiquement le rafraîchissement du plancher avec le module hydraulique 2. Les températures de consigne pour les modules hydrauliques 1 et 2 sont respectivement 400 C et 12,5 0 C. Nous avons utilisé 5 sondes de température répartie sur une hauteur de 1,5 m du bas vers le haut pour voir l’évolution de la température de l’air du local. Nous avons également utilisé un anémomètre pour voir l’évolution de la vitesse du vent dans le local. La température à la surface du plancher est déterminée à l’aide d’un thermomètre infrarouge. La température ambiante au cours de l’expérience est de 21 0 C.
Nous avons chauffé le local à travers le plafond afin de pouvoir démarrer le rafraîchissement par le plancher. Pour une température de départ initiale d’eau chaude de 19,80 C, la consigne souhaitée est atteint à 19 minutes après le démarrage du système. La température de retour s’est stabilisée à 33,8 0 C après 4 heures 7 minutes du démarrage du système. Cette longue durée est due aux pertes thermiques à travers les ponts thermiques du local et par convection entre l’air du local et le milieu ambiant au niveau de la paroi vitreuse.
Après 3 heures de chauffage, la température de l’air du local n’atteint pas 260C. Cela est dû aux mêmes pertes thermiques et surtout au fait que la température ambiante au cours de l’expérience est de 210C.

Plafond chauffant et plancher rafraichissant couplés à un ventilateur: effet du ventilateur sur la température et de l’air du local et sur le bilan thermique

Dans ce paragraphe, nous étudions l’effet d’un ventilateur lorsqu’il est couplé à un plafond chauffant ou à un plancher rafraichissant sur la température de l’air du local et sur l’énergie consommée. Pour cela nous avons établi le bilan thermique de la chambre expérimentale. Cela va nous permettre de déterminer les échanges thermiques dans le local afin d’évaluer les pertes thermiques au niveau du plafond et du plancher. La quantité d’énergie fournie par les modules hydrauliques 1 et 2 respectivement au plafond et au plancher est déterminée. Nous avons également calculé les quantités d’énergies cédées à l’air du local par le plafond et le plancher avec ou sans la présence du ventilateur. Ce qui va nous permettre d’estimer les pertes thermiques au niveau du plafond et du plancher.

Généralités

Beaucoup de type de systèmes de chauffage par rayonnement ont été développés et utilisés en Europe particulièrement en Allemagne en période d’hiver. Le plancher chauffant rafraichissant peut être utilisé comme une alternative au système classique de chauffage ou de refroidissement [Son.08]. Cependant peu d’études sur ce sujet ont été trouvées dans la littérature. [Cau.10 et al] ont proposé un plancher chauffant rafraichissant combiné avec déplacement ventilation : Possibilités et limites. Ils évaluent, par des essais expérimentaux, les possibilités de combiner le plancher chauffant et le plancher rafraichissant. Le plancher rafraichissant doit être contrôlé pour éviter la condensation à la surface dans des conditions météorologiques chaudes et humides. Les systèmes du plancher rayonnant sont généralement combinés avec un central de ventilation et de déshumidification [Lim.06]. Le plancher chauffant/rafraichissant échange de la chaleur avec l’enveloppe du bâtiment par rayonnement et échange de la chaleur avec l’air du local par convection [Zha.12]. Cet échange de chaleur ou de fraicheur peut être lent s’il est conditionné par rayonnement et par convection naturelle.
Cela peut causer des pertes thermiques au niveau du plancher ou du plafond. Pour accélérer l’échange de chaleur et d’éviter les pertes, on utilise un ventilateur qui amène de l’air dans la chambre et augmente la vitesse de l’air. La vitesse de l’air joue un rôle important dans l’échange de chaleur par convection. Elle intervient également dans le confort thermique des occupants dès que la vitesse est supérieure à 0,2 m / s. La sensation de l’inconfort thermique dans des régions localisées du corps peuvent se produire comme par exemple courant d’air, rayonnement asymétrie, la différence verticale de la température de l’air ou de la température de surface du plancher [Eze.11]. Selon toujours [Eze.11], l’inconfort thermique local, en raison des courants d’air dépend de la température, la vitesse de l’air et l’intensité de la turbulence .Ainsi, la vitesse de l’air dans l’habitat doit être limitée. Elle peut être source d’inconfort, en raison de la présence de l’air froid ou chaud dans la chambre. Ce présent paragraphe concernant le plancher chauffant rafraichissant couplé à un ventilateur ne s’intéresse pas aux problèmes de condensation ou d’humidité sur la surface du plancher ni sur le confort ou l’inconfort thermique. Le but de cette étude est de coupler le système plancher chauffant/rafraichissant avec un ventilateur et de voir l’effet du système de ventilation sur la température de l’air du local et sur le bilan thermique. Ainsi, lorsque le système est couplé avec un système de ventilation, en plus de la convection naturelle et le rayonnement, on voit apparaître une convection forcée qui entraîne l’augmentation du flux de chaleur échangé. Pour évaluer les pertes thermiques, nous avons déterminé le bilan énergétique de la chambre expérimentale.

Description et modélisation

Les mesures ont toujours été effectuées dans la chambre expérimentale du laboratoire en technologie de climatisation de l’Université d’Application Techniques THM de Giessen (Allemagne). Il est équipé d’un système de ventilation. Le plafond est chauffé par le module hydraulique1 et le plancher est refroidi par le module hydraulique 2. Le ventilateur amène de l’air à l’intérieur de la chambre à travers le plafond et la sortie se fait par le planche r. Les mesures de la température de l’air du local sont réalisées à l’aide de cinq capteurs de thermiques (type Pt 100). Les capteurs utilisés sont fixés à plusieurs hauteurs sur une barre verticale en acier (13cm, 50cm, 1m, 1,25 m et 1,5 m). Les mesures de la vitesse de l’air dans la chambre ont été effectués à l’aide d’un anémomètre attachés sur une barre verticale en acier de hauteur 0,5 m et 1m.

Effet du système de ventilation sur le bilan énergétique

Avec les débits des modules hydrauliques et les températures d’arrivées et de retours d’eau, nous avons calculé la quantité de chaleur transférée au plafond et au plancher, respectivement par les modules hydrauliques 1 et 2. Nous avons également calculé la quantité de chaleur échangée d’une part entre le plafond, l’air du local et les parois, avec ou sans la présence du ventilateur et d’autre part celle échangée entre le plancher, l’air du local et les parois, avec ou sans la présence du ventilateur.

Conclusion

Cette étude montre donc l’importance du plancher rafraichissant à remplacer les climatiseurs classiques qui ont un impact néfaste sur l’environnement. Elle montre également que la puissance d’émission de chaleur ou de fraicheur et la vitesse de circulation de l’air dans l’habitat sont des critères importants pour le plancher chauffant/rafraichissant. De même nous avons vu l’effet de la présence d’un ventilateur sur le plafond chauffant et sur le plancher rafraichissant. Le ventilateur peut augmenter la puissance et la vitesse de circulation d’air. La grande puissance de transfert de chaleur ou de fraicheur du plancher peut être un atout pour éviter les pertes d’énergies. Elle peut aussi être à l’origine de zones d’inconfort thermiques dans l’habitat. Ces zones d’inconfort sont souvent dues à une température de l’air du local inhomogène ou à des vitesses d’air importantes surtout en présence d’un système de ventilation. Il serait donc important de pouvoir diminuer les fluctuations de l’air dans le local tout en augmentant la puissance afin d’éviter les pertes d’énergies.
En mode rafraîchissement il y a risque de condensation à la surface du plancher si la température ambiante s’abaisse au-dessous de la température qui correspond au point de rosée. Ce dernier dépend de la quantité d’eau en suspension dans l’air sous forme de vapeur d’eau. Plus la quantité d’eau contenue dans l’air est grande, plus le point de rosée est élevé. Pour palier cela, une régulation anti-condensation est nécessaire.

Les systèmes à compressions

Ce sont les systèmes classiques de production du froid. Le compresseur est entrainé par une énergie mécanique. Il fait passer un fluide frigorigène en phase gazeuse d’un niveau de basse pression et de basse température à un niveau de haute température et de pression. Le gaz chaud qui sort du compresseur passe dans un échangeur de chaleur appelé condenseur qui le refroidit jusqu’à le faire retourner à l’état liquide à haute pression. La chaleur de condensation est évacuée à un niveau de température relativement peu élevé mais qui permet de combler des besoins de chauffage à basse température ou de l’évacuer à l’ambiance en même temps au moyen d’une tour de réfrigération. Le fluide frigorigène sortant du condenseur passe ensuite dans une valve d’expansion où sa pression chute brusquement.
Cette chute de pression entraine l’évaporation d’une petite portion de ce fluide, refroidissant le mélange restant, a une température inférieure à la température de refroidissement désirée.
Un échangeur thermique nommé évaporateur, permet alors de refroidir l’air, de l’eau ou autre fluide devant être refroidi. Le fluide frigorigène absorbe cette chaleur en évaporant à basse température. C’est le compresseur qui aspire le gaz frigorigène ainsi produit à basse pression et le cycle peut alors recommencer. Ces systèmes emploient des fluides frigorigènes qui contribuent à la dégradation de l’environnement.

Table des matières
Introduction générale
Chapitre I. Modélisation du plancher chauffant/rafraîchissant
I-1.Introduction
I-2. Description du plancher
I-2-1. Les échanges thermiques entre le plancher et son environnement
I-2-2. Plancher chauffant/rafraichissant par circulation d’eau
I-2-3. Emetteur ou absorbeur invisible
I-2-4. Economie d’énergie
I-3. Description du modèle du plancher
I-3-1. Evolution de la température de l’eau dans le tube
I-3-2 : Bilan thermique
I-4. Modélisation des transferts thermiques entre les couches du plancher
I-4-1. Bilan thermique de la dalle flottante
I-4-2. Bilan thermique du revêtement
I-4-3. Bilan thermique de la couche porteuse
I-5. Modélisation de l’ensemble habitat-plancher
I-6.Résultats théoriques
I-7. Conclusion
Chapitre II. Etude expérimentale du plancher chauffant/rafraichissant
II-1.Introduction
II-2.Description de la cellule expérimentale
II-3. Description des appareils
II-3-1. Les modules hydrauliques
II-3-2. Le caméra thermique et les sondes
II-3-3. Le circuit de distribution
II-4. Résultats et discussions
II-5.Validation
II-6. Plafond chauffant et plancher rafraichissant couplés à un ventilateur: effet du ventilateur sur la température et l’air du local et sur le bilan thermique
II-6-1.Généralités
II-6-2. Description et modélisation
II-6-3. Résultats discussions
II-6-3-1. Effets du système de ventilation sur la température de l’air du local
II-6-3-2. Effet du système de ventilation sur le bilan énergétique
II-7.Conclusion
Chapitre III. Les techniques de production de froid à partir de la chaleur
III-1. Introduction
III -2. Description des techniques de production de froid
III -3. Les systèmes consommant de l’électricité
III -3-1. Les cellules à effets Peltier
III -3-2. Les systèmes à compressions
III -3-3. Les fluides frigorigènes et l’environnement
III -4. Les systèmes thermomécaniques
III -4-1. Le cycle Rankine
III -4-2. Le cycle à jet de vapeur
III-5. Les systèmes à chaleur
III-5-1. Le cycle ouvert ou « dessicant cooling »
III-5-2. La machine à adsorption
III -5-2-1. Définition
III – 5-2-2. Principe de fonctionnement
III-5-2-3. Équation d’état de l’adsorption
III-5-2-4. Modèle de Henry ou modèle à un paramètre
III-5-2-5. Modèle de Dubinin ou modèle à trois paramètres
III-5-2-6. Chaleur isostérique d’adsorption
III-5-2-7. Les cycles d’adsorption
III-5-2-7-1. Cycle simple effet
III-5-2-7-1-1. Chauffage isostérique de l’adsorbant ou phase (1-2)
III-5-2-7-1-2. Chauffage isobare ou phase (2-3)
III-5-2-7-1-3. Refroidissement isostérique ou phase (3-4)
III-5-2-7-1-4. Refroidissement isobare ou phase (4-1)
III-5-2-7-2. Cycle inverse simple effet
III-5-2-8. Coefficients de performances ou COP
III-5-3. La machine à absorption
III-5-3-1. Le potentiel de l’ammoniac
III-5-3-2. Principe de fonctionnement
III-5-3-3. Les diagrammes thermodynamiques
III-5-3-3-1. Diagramme d’Oldham
III-5-3-3-1-1. Pressions de fonctionnement
III-5-3-3-1-2.Variation du titre au cours du cycle
III-5-3-3-1-3. Titre et température de la solution à l’entrée de l’absorbeur
III-5-3-3-1-4. Titre et température de la solution à l’entrée du désorbeur
III-5-3-3-2. Diagramme de Meckel
III-5-3-3-2-1. Bilan thermique
III-5-3-3-2-2. Coefficient de performance frigorifique (COP)
III-5-3-4. Estimation du coefficient de performance de Carnot COP
III-5-3-5. Les propriétés de la machine
III-6. Conclusion
Chapitre IV. Etude théorique de la réfrigération solaire à adsorption
IV-1. Introduction
IV-2. Choix de l’adsorbant
IV-3. Choix de l’adsorbat
IV-3-1. Critères écologiques
IV-3-2. Critère économique
IV-4. Choix du couple zéolithe-eau
IV-4-1. Propriétés thermodynamiques des zéolithes
IV-4-2. Propriétés thermodynamiques de l’eau
IV-5. Présentation du réfrigérateur zéolithe -eau installée au CERER
IV-5-1. Caractéristiques
IV-5-2. Fonctionnement de la machine
IV-6. Etude du capteur
IV-6-1. Schéma descriptif du capteur adsorbeur
IV-6-2. Analyse théorique
IV-6-2-1. Equations des bilans thermiques
IV-6-2-1-1. Equation du bilan thermique au niveau de la plaque absorbante
IV-6-2-1-2. Equation du bilan thermique au niveau de la vitre
IV-6-2-2. Système d’équations des bilans globaux
IV-6-3. Résultats et discussions
IV-6-3-1. Influence du transfert radiatif
IV-6-3-2. Influences des paramètres optiques sur les températures de la vitre et de l’absorbeur
IV-7. Coefficient de performance théorique .
IV-7-1. Influences des paramètres optiques sur le COP
IV-7-2. Variations du COP en fonction des températures ambiante et de l’absorbeur
IV-8. Le réservoir
IV-8-1. Evaluation du coefficient de déperdition
IV-8-2. Température de la paroi intérieure du réservoir
IV-8-3. Effet de la température extérieur sur le réservoir
IV-8-4. La puissance frigorifique et vitesse de production de la glace
IV-9. Conclusion
Chapitre V. la régulation thermique de l’habitat en régime permanent
V-1. Introduction
V-2. Le Confort thermique
V-2-1. Les indices environnementaux simples
V-2-1-1. La température opérative
V-2-1-2. La température équivalente
V-2-1-3. La température effective
V-2-2. Les modèles analytiques
V-2-2-1. Le modèle de Fanger : PMV et PPD
V-2-2-2. L’indice PMV (Predicated Mean Vote)
V-2-2-3. L’indice PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied)
V-2-2-4. Le modèle à deux nœuds de Gagge : et
V-2-2-5. Les inconforts locaux
V-2-3. Approche adaptative
V-2-3-1. Modèles de l’approche adaptative
V-2-3-2. Principes et mécanismes d’adaptation
V-3. La régulation thermique dans l’habitat
V-3-1. Modèle simplifié de l’habitat
V-3-2. Les systèmes de régulation thermique
V-3-2-1. Régulation TOUT OU RIEN
V-3-2-2. Régulation proportionnelle
V-3-2-2-1. La régulation proportionnelle par l’extérieure
V-3-2-2-2. La régulation proportionnelle par l’extérieur et par l’intérieur
V-3-2-3. Régulation proportionnelle et intégrale PI
V-3-2-3-1. Définition
V-3-2-3-2. Influence de l’action intégrale
V-3-2-4. La régulation proportionnelle, intégrale et dérivée PID
V-3-2-5. Réglage de la courbe de chauffe
V-4. Conclusion
Chapitre VI. La climatisation solaire passive et architecture bioclimatique
VI-1. Introduction
VI-2. Les procédés passifs de rafraichissement
VI-2-1. Orientation du bâtiment et des ouvertures
VI-2-2. Les protections solaires et facteurs d’affaiblissement
VI-2-2-1. Les protections solaires
VI-2-2-1-1. Les protections fixes
VI-2-2-1-1-1. Auvent horizontal
VI-2-2-1-1-2. Les murets
VI-2-2-1-1-3. Avancée verticale
VI-2-2-1-1-4. Combinaisons des masques
VI-2-2-1-1-5 : Indicateur d’occultation et profil d’ombre
VI-2-2-1-1-5-1. Profil d’ombre de l’auvent
VI-2-2-1-1-5-2. Profil de l’avancée verticale
VI-2-2-1-2. Les Protections mobiles et choix des fenêtres
VI-2-2-1-2-1. Volets, persiennes et jalousies
VI-2-2-1-2-2. Les stores extérieurs
VI-2-2-1-2-3. Les stores intérieurs et films solaires
VI-2-2-1-3. Les protections végétales
VI-2-2-1-4. Isolation
VI-2-2-1-5. Inertie thermique
VI-2-2-2. Facteur d’affaiblissement
VI-2-2-2-1. Cas de l’auvent
VI-2-2-2-2. Avancées verticales
VI-2-2-2-3. Cas des loggias
VI-3. Les procédés passifs de chauffage
VI-3-1. Le mur solaire ou mur Trombe
VI-3-1-1. Type de ventilation
VI-3-1-2. Modes de ventilation
VI-3-2. La couleur du revêtement extérieur
VI-4. Exemple de cas traité : La maison solaire passive du CERER
VI-4-1. Description
VI-4-2. Résultats
VI-5. Conclusion
Conclusion générale et perspectives
Référence bibliographique
Liste des publications et communications
Annexes

Lire le rapport complet