METHODES DE MESURES DE PROPRIETES THERMIQUES

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Flux par ensoleillement des parois opaques

Pour une paroi opaque d’une certaine densité, le flux de chaleur reçu effectivement dans l’enceinte qui nous intéresse est retardé, en ce sens que les rayons solaires doivent d’abord échauffer les matériaux qui lui servent de limites matérielles, avant de concourir à l’augmentation des gains de chaleur du local proprement dit. Inversement, lorsque l’insolation ne se produit plus, les matériaux restituent la chaleur emmagasinée, après un certain amortissement dû essentiellement à la constitution spécifique du matériau (nature, masse, etc.). Par commodité et au lieu de donner directement des valeurs de flux comme pour les vitrages, (pour les parois verticales et horizontales voir en annexe) une valeur de ΔT fictif est donnée entre une paroi ensoleillée en juillet, sous une latitude de 40° Nord, et une paroi de même nature, sous une même latitude, mais placée à l’ombre.
Cette différence de température est dite fictive, car si on applique un thermomètre à la surface de la paroi insolée, celui-ci n’indiquera pas la valeur portée dans les tableaux précités ; en effet, cette température a été déterminée en calculant le gain de chaleur instantanément reçu, corrigé par un coefficient d’amortissement établi expérimentalement pour des parois types données. Le gain final reçu par l’ambiance équivaudra à des apports dus à la différence entre Ts extérieure – Ts intérieure = ΔT fictif ; c’est pourquoi cette dernière valeur est aussi appelée par les techniciens, ΔT équivalent. Une paroi opaque ensoleillée recevra donc à un instant déterminé un flux d’apports réels, ( en watts), qui sera déterminé selon l’équation suivante .

Apports électriques

Une corrélation proposée par (Libert, 1976) permet d’estimer ces apports.
 Premier cas
Moteur seul placé dans l’ambiance à traiter, la machine entrainée se trouvant au dehors, la valeur à retenir selon la configuration est la suivante ; soit P(cv) la puissance du moteur
Si 0.1˂P(cv)˂1 alors P(W)=443.1*P(cv)
Si 1˂P(cv)˂10 alors P(W)=184.6*P(cv)
Si P(cv)˃10 alors P(W)=125.5*P(cv)
 Deuxième cas
La machine menée est installée dans l’enceinte, le moteur se trouvant au dehors, la valeur à retenir selon la configuration est la suivante ; soit P(cv) la puissance du moteur
Si 0.1˂P(cv)˂1 alors P(W)=519.6*P(cv)
Si 1˂P(cv)˂10 alors P(W)=590.8*P(cv)
Si P(cv)˃10 alors P(W)=679.4*P(cv)
 Troisième cas
L’ensemble MOTEUR-TRANSMISSION-MACHINE est installé dans l’enceinte, l’intégralité de l’énergie absorbée se retrouve dans le local, si P(cv) la puissance du moteur
P(W)=738.5*P(cv)

Autres flux

 La dissipation calorifique des appareils électriques en fonctionnement (ordinateurs, moteurs).
 Portes continuellement ouvertes sur un local non climatisé (prévoir un gain de 250W par mètre linéaire d’ouverture de porte.

METHODES DE MESURES DE PROPRIETES THER-MIQUES

Régime permanent

Méthode des boites

La méthode des boîtes est un dispositif de mesure des propriétés thermiques en régime permanent et est couramment utilisée pour caractériser les matériaux de construction en général. Elle a été mise au point par le laboratoire d’Etudes Thermiques et Solaires de l’université Claude Bernard de Lyon. C’est une technique qui permet en particulier de déterminer la conductivité thermique (El Bakkouri et al, 2000) ; (Ezbakhe et al, 2001) et (Meukam et al, 2004).
On la retrouve au Sénégal au laboratoire d’énergétique Appliquée de l’Ecole Supérieure Polytechnique de Dakar ainsi qu’à l’Institut Universitaire de Technologie de Thiès. Sa mise en oeuvre dure des heures voir des jours. La précision des mesures selon (Sacadura, 1979) est similaire à celle obtenue par les méthodes conventionnelles telles la plaque chaude gardée, la méthode Flash. Le schéma de la figure 2.1 permet d’avoir une idée du dispositif expérimental.
D’après le principe de la conservation de l’énergie, le flux de chaleur dégagé par le film chauffant sera d’une part transmise par conduction à travers l’échantillon, et d’autre part perdu à travers les parois latérales des boîtes B, cela nous conduit ainsi à l’égalité suivante :
L’équation précédente tient compte des flux suivant :
 : Flux émis par la résistance chauffante par effet joule.
 : Flux transitant par l’échantillon.
 : Flux perdu à travers les surfaces latérales de la boite.
Avec :
 V : Tension aux bornes de la résistance
 R : Valeur de la résistance.
 S : Surface de l’échantillon
 e : Epaisseur de l’échantillon
 C : Coefficient de déperdition des boîtes.

Méthode de la plaque chaude gardée

Le principe de mesure consiste à placer deux échantillons plans identiques de part et d’autre d’une plaque chauffante (résistance chauffante). Cette dernière est divisée en deux parties qui peuvent être réglées indépendamment l’une de l’autre. Pour assurer le transfert d’énergie unidirectionnel, on constitue ainsi sur chaque échantillon une zone de mesure (la zone centrale) et une zone de garde (qui sera légèrement surchauffée pour éviter les pertes thermiques de la zone de mesure par ses bords). Les faces sont maintenues en contact avec des échangeurs dans lesquels circule un fluide maintenu à température constante. Le dispositif expérimental est représenté sur la figure 2.2.
A l’aide de thermocouples disposés de part et d’autre de l’échantillon étudié, la température est ainsi mesurée. L’objectif est de mesurer la conductivité thermique de chaque échantillon en reproduisant les conditions de transfert de chaleur 1D entre deux plans parallèles et isothermes (Vivancos et al, 2009).

Détermination expérimentale de la conductivité thermique

Paille

La paille étudiée est celle utilisée généralement pour la construction des toits de chaume en milieu rural. Les photos de la figure 3.3 donnent un aspect de ce produit en fibres entières (a) et découpées (b).
La technique de mesure de la conductivité thermique utilisée dans le cadre de ce travail est appelée  » méthode des boîtes ». Elle est installée au Laboratoire d’Energétique Appliquée (LEA) de l’Ecole Supérieure Polytechnique (ESP) de Dakar. En outre les mesures se font à peu près dans les conditions réelles d’utilisation du matériau.
 Capacité isotherme A
C’est une grande capacité de dimensions (200 X 100 X 45) , jouant le rôle de l’ambiance froide. Elle est maintenue à une faible température pouvant aller jusqu’à – 4°C par l’intermédiaire d’un échangeur thermique situé à sa base et alimenté par de l’eau glycolée dont la circulation et le refroidissement sont assurés par un cryostat K.
Ses parois internes sont couvertes par des plaques en styrodur permettant de l’isoler thermiquement de l’ambiance externe.
 Boîtes chaudes B
Les deux boîtes sont identiques, elles permettent de faire deux mesures simultanées. Ce sont des boîtes en contre-plaqué, isolées de l’intérieur par du Styrodur et présentant chacune une face ouverte comme c’est indiqué à la figure 3.4. Elles sont revêtues sur la partie interne de leur face supérieure d’un film chauffant C (résistance électrique) dont l’émission de chaleur peut être réglée à l’aide d’un rhéostat. L’intérieur des boîtes joue le rôle de l’ambiance chaude
 Capteurs de température
Les capteurs de température sont des thermosondes en platine (sondes SP 683 GAL) pour la mesure des températures de surface et des sondes d’ambiance pour la mesure des températures d’ambiance. Ces différentes sondes sont reparties en divers endroits de l’appareil. On retrouve ainsi une sonde de surface sur chaque face de l’échantillon à tester indiquant les températures respectivement pour les faces chaude et froide. Une sonde d’ambiance sert à mesurer la température à l’intérieur de la boite. On dispose également de deux autres sondes d’ambiance indiquant les températures et respectivement la température de la salle dans laquelle s’effectuent les expériences, et la température de l’ambiance intérieure, figure 3.4.
 Echantillons E
Les échantillons (E) à tester doivent avoir une forme parallélépipédique de 27cm de côté et d’une épaisseur allant de 1 à 7cm. Ils sont placés entre la boîte B et la capacité isotherme A, de telle sorte que les flux latéraux soient négligeables. Par analogie avec les murs d’un habitat en hiver, chaque échantillon présente une face chaude et une face froide.
 Console de mesure
C’est une centrale de mesure disposant d’un nombre important de voies, et pouvant donner des informations instantanées que nous pouvons directement lire sur des afficheurs. Elle est équipée de deux autotransformateurs variables (rhéostats) qui permettent d’ajuster les tensions électriques désirées aux bornes de la résistance chauffante de chaque boîte.
 Détermination expérimentale de la conductivité thermique
Apres avoir soigneusement mis en place les sondes de surfaces sur les deux faces de l’échantillon, ce dernier est inséré à l’intérieur des boîtes et une tension est appliquée aux bornes du film chauffant (le système de refroidissement étant préalablement mis en marche).
Une augmentation de températures commencera alors à être constatée et au bout d’un certain temps plus ou moins long (suivant les matériaux et le taux d’humidité des échantillons), les températures finissent par se stabiliser. Pour dire que le régime permanent est atteint, il faut s’assurer que la différence de température entre les deux faces de l’échantillon reste constant pendant au moins 30 minutes. Une température est dite constante si sa variation absolue ne dépasse nullement 0.1°C pendant la durée considérée.
Cependant les valeurs des différentes températures ne seront retenues que si l’écart de température entre l’ambiance intérieure des boîtes et l’ambiance extérieure est inférieur à 1°C.
Pour pouvoir respecter cette condition, il faut jouer sur la valeur de la tension V aux bornes de la résistance chauffante. Au début de l’expérience une tension arbitraire est fixée (on peut se référer néanmoins aux valeurs des tensions appliquées lors des expériences précédentes), puis on applique des ajustements adéquats au fur et à mesure du déroulement des essais jusqu’à obtention de la condition imposée. Une fois que le régime permanent est atteint et que la condition < 1°C est assurée, on commence à relever cinq à six fois ( ) par espace de cinq minutes.
 Détermination du coefficient de déperdition
Le coefficient de déperdition C caractérise les pertes de chaleur à travers les parois latérales des boîtes dues à la présence d’un gradient de température entre l’intérieur de celles-ci et l’ambiance extérieure. Théoriquement il est déterminé en utilisant les formules de Carslaw et Jager (Langmuir et al, 1913) qui permettent de déterminer les écoulements thermiques à travers un dièdre en régime permanent, et celles de Langmuir (Mourtada, 1982), (Hamida, 2010) donnant les valeurs du coefficient de forme pour un coin. Pour les boites avec le Styrodur comme isolant et le contre-plaqué comme couverture externe, l’application numérique de ces formules (Boudilon, 2001), nous donne C= 0.19.

Régime permanent

Dans notre cas on étudie particulièrement la contribution sur la consommation énergétique de la dalle supérieure. Matam possède un climat désertique (BWh) selon la classification de KÖPPEN-GEIGER et sur l’année (*), la température moyenne à Matam est de 30.6°C avec une humidité relative pouvant atteindre 65% pendant la saison des pluies. Les conditions thermo-hygrométriques intérieures sont fixées comme suit : 24°C et 50% HR.
Le local étudié est un bâtiment administratif qui est ouvert de 8 à 18 heures et du lundi au vendredi, soit 50 heures/semaine ce qui correspond annuellement à 2600 heures.
La résistance thermique d’échange de la surface intérieure et celle de la surface extérieure sont prises dans la littérature égale respectivement à 0.17 et 0.05 m²KW-1 pour une paroi horizontale (Nguessan, 1989). La valeur de cette résistance thermique d’échange superficiel dépend de l’inclinaison de la paroi et celle intérieure est toujours plus grande que la valeur extérieure du fait que les mouvements d’air sont plus importants à l’extérieur qu’à l’intérieur, ce qui influence le transfert de chaleur par convection.

Régime dynamique

Le fait de calculer la consommation d’énergie en régime permanent ne reflète pas bien la réalité car, il y’a des variations très importantes de la température au cours de l’année. En fixant dans certaines conditions la valeur de cette température moyenne, on risque de sur dimensionner ou de faire l’inverse. Ainsi, il est souhaitable d’utiliser une méthodologie basée sur la simulation numérique du bâtiment de type ENERGYPLUS. Une tentative d’exploiter ce logiciel ayant été vaine du fait de la non maitrise de son environnement nous a conduits à aller vers une situation intermédiaire qu’on pourrait appeler semi dynamique. Cette méthode consiste à discrétiser la température en considérant les températures moyennes mensuelles (*) suivant le tableau ci-après .

Table des matières

NOMENCLATURE
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1 : MODELISATION DE LA CHARGE THERMIQUE
1.1 Flux de chaleur par transmission
1.2 Flux de chaleur par ensoleillement des vitrages
1.3 Flux par ensoleillement des parois opaques
1.4 Flux par renouvellement d’air
1.5 Flux par eclairage
1.6 Flux par metabolisme
1.7 Apports electriques
1.8 Autres flux
CHAPITRE 2 : METHODES DE MESURES DE PROPRIETES THERMIQUES
2.1 Regime permanent
2.1.1 Methode des boites
2.1.2 Methode de la plaque chaude gardee
2.2 Regime transitoire
2.2.1 Methode flash
2.2.2 Methode du fil chaud
2.2.3 Methode du plan chaud symetrique
2.2.4 Methode du plan chaud asymetrique
2.2.5 CHOIX DES METHODES
CHAPITRE 3 : CALCUL DE LA CONSOMMATION ENERGETIQUE
3.1 Calcul de la resistance thermique
3.1.1 Dalle nue
3.1.2 Dalle nue + couche de paille
3.2 Determination experimentale de la conductivite thermique
3.2.1 Paille
3.2.2 Beton
3.3 Calcul de la consommation energetique
3.3.1 Regime permanent
3.3.2 Regime dynamique
CONCLUSION GENERALE
BIBLIOGRAPHIE

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