Modélisation d’un modèle d’habitat bioclimatique

Le secteur du bâtiment se classe aujourd’hui parmi les trois gros consommateurs d’énergie dans le monde avec le secteur du transport et celui de l’industrie [1, 2]. La part de la consommation de l’énergie dans le secteur du bâtiment s’élève à 40% de l’énergie mondiale [2, 3] et 50% de cette consommation annuelle est causé généralement par les systèmes de chauffage, de ventilation et de conditionnement d’air [4]. Face à cette consommation qui augmente le coût de l’énergie et aux conséquences négatives des émissions de gaz à effet de serre, il est devenu indispensable de développer des systèmes innovants permettant d’améliorer l’efficacité énergétique, de mieux maîtriser la demande énergétique et de réduire les émissions de CO2. En outre, près de la moitié de la consommation d’énergie du bâtiment est consacrée aux climatiseurs des pays développés [https://www.chatpfe.com/].

Néanmoins, une grande partie de l’énergie de conditionnement de l’espace est finalement perdue à travers l’enveloppe du bâtiment en raison du manque d’inertie thermique dans les bâtiments modernes. Ainsi, l’économie d’énergie et la conception de bâtiments écologiques sont devenues un important domaine de recherche. Un thème commun parmi les stratégies efficaces de conception de bâtiment est l’amélioration de la masse thermique de l’enveloppe du bâtiment pour stocker l’énergie thermique pendant la journée et restituer au bâtiment pendant la nuit plus fraîche. Cela peut réduire les températures maximales et les fluctuations de températures à l’intérieur de l’habitat [6, 7].

L’architecture bioclimatique, quant à elle, est une technique dont le coût n’est pas trop élevé, ce qui permet de faire des économies spectaculaires. Un grand nombre de maisons construites par nos ancêtres utilisaient déjà cette technologie. Alors le souci du rendement et du profit a conduit à la perte de qualité, à l’utilisation des matériaux malsains et moins chers et à la réduction des espaces, pour obtenir ce que nous voyons aujourd’hui : cages et villas où il ne fait pas bon vivre [8].

Climatisation passive 

Jusqu’en 1953, la problématique du climat n’a pas été considérée comme un critère important dans la conception architecturale [18], bien que, le chauffage passif et les techniques de rafraichissement par ventilation naturelle et l’éclairage naturel aient fait l’objet de nombreux travaux aussi bien théoriques qu’expérimentaux [19, 20]. Il est communément admis que la connaissance de différentes techniques de climatisation passive permet de diminuer la charge énergétique de l’habitat et tout en améliorant son confort. Des systèmes passifs destinés au chauffage (toiture de type capteurs solaires, murs trombes,…etc.) et au refroidissement (cheminée solaire, toiture de type capteurs solaires) de bâtiments ont étés passé en revue dans [21].

Quelques principes de conception architecturale basés sur l’environnement pour une région chaude et humide et quelques analyses numériques et expérimentales de la climatisation passive assurée par la ventilation naturelle ont été examiné dans les références [22, 20]. Ces différents travaux montrent que les méthodes retenues lors de la conception d’une toiture bioclimatique font intervenir différentes techniques telles que le piégeage du rayonnement solaire par la toiture [23], l’utilisation de cheminée solaire [24, 25] et de capteurs solaires plan.

Dans les zones à climat chaud et sec, la voûte céleste se comporte comme une source froide pour une toiture composée d’un système évapo-condensatif constitué de sacs en titane remplis de galets et d’eau de faible quantité [28]. En effet, la température de la voûte céleste peut descendre jusqu’à 30 °C en-dessous de la température de l’air ambiant. En région sèche, la température minimale est observée en milieu d’après midi. Ainsi, la différence entre la température ambiante et celle de l’intérieur d’un habitat, équipé d’une telle toiture peut atteindre 4°C. Cette toiture, appelée toiture diode, très peu onéreuse, permet l’évacuation par les transferts radiatifs avec la voûte céleste des calories de l’habitat, même pendant la journée et atténue l’impact des apports solaires sur l’ambiance interne de l’habitat.

Garde a procédé à une étude de faisabilité de la climatisation passive d’un habitat adapté au climat tropical des Départements d’Outre-mer Français (DOM) [29]. Les résultats de ces travaux ont conduit à l’élaboration d’un document de référence sur la réglementation thermique dans la conception du projet ECODOM des logements adaptés au climat tropical des DOM [30] notamment :
➤ Implanter le bâtiment dans des zones à bonne potentialité de ventilation ;
➤ Orienter les façades principales du bâtiment vers les brises pendant les mois les plus chauds ;
➤ Tenir compte du microclimat en implantant le bâtiment ;
➤ Créer une bonne végétation autour des bâtiments. Ainsi, deux projets de résidences ont été réalisés en respectant les normes reportés dans le document de référence.

Climatisation passive en Guinée 

Climat tropical maritime en Basse Guinée
La Basse Guinée connait les précipitations les plus fortes et les températures les plus constantes. La saison des pluies dure six mois avec des précipitations abondantes (5000 mm en moyenne) avec un pic au mois d’Août. Les températures oscillent entre 23°C et 35°C. Conakry, (la capitale), reçoit 4267 mm de pluie par an, avec une moyenne des températures de 27°C.

Climat tropical de montagne en Moyenne Guinée
Cette zone se caractérise par une saison des pluies qui dure cinq mois. Les précipitations sont moins importantes et oscillent entre 1600 mm et 2000 mm avec des températures adoucies variant de 20°C à 25°C le jour et 5°C à 10°C la nuit en hiver.

Climat tropical sec ou Subsoudanien en Haute Guinée
Le climat est sec et la saison des pluies varie de 3 à 4 mois avec une moyenne annuelle de 1500 mm. Les températures sont élevées, presque toute l’année (40°C), exception faite pour les mois de Décembre et Février (15°C) à cause de l’arrivée de l’harmattan.

Climat subéquatorial en Guinée Forestière
Il se caractérise par deux périodes pluvieuses, séparées par une petite saison sèche (de 2 à 3 mois) qui tend à disparaitre. Pendant la saison des pluies, il tombe entre 1500 et 2600 mm d’eau. La température (de 24°C à 28°C) et l’humidité sont constantes tout au long de l’année.

L’habitat bioclimatique

En République de Guinée, l’habitat bioclimatique à ce jour, n’a pas connu un développement comparable à celui des pays d’Europe, d’Asie et du Maghreb malgré l’accroissement constant de la consommation d’énergie dans l’habitat [34, 26]. Cependant, les autorités du pays, ont opté pour le développement des matériaux locaux pour la construction et l’utilisation de l’énergie solaire dans l’habitat. C’est ainsi, que des machines hydraform ont étés commandées par le gouvernement pour la fabrication des briques de terre stabilisée (80% d’argiles et 20% de ciment) et l’installation des Thermiques ou Photovoltaïques dans certaines régions administratives de la Guinée.

L’architecture bioclimatique est une technique dont le coût n’est pas trop élevé, qui permet de faire des économies spectaculaires. Un grand nombre d’habitats construits traditionnellement, utilisant des matériaux de qualité et d’une bonne finition. Puis le souci du rendement et du profit a entraîné la perte de qualité, l’utilisation de matériaux malsains et moins coûteux, la réduction des espaces, pour obtenir ce que l’on voit aujourd’hui, des cages à lapins et des villas où le bien vivre est absent.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre 1 : ANALYSE BIBLIOGRAPHIQUE
1.1 Introduction
1.2 Climatisation passive
1.3 Climatisation passive en Guinée
1.3.1 Conditions climatiques
– Climat tropical maritime en Basse Guinée
– Climat tropical de montagne en Moyenne Guinée
– Climat tropical sec ou Subsoudanien en Haute Guinée
– Climat subéquatorial en Guinée Forestière
1.3.2 L’habitat bioclimatique
1.4 Stockage de la chaleur dans le matériau à changement de phase (MCP)
1.5 Méthodes numériques de résolution des problèmes de changement de phase
A- Méthode à suivi de l’interface
B- Non connaissance de la position de l’interface
1.5.1 Méthode enthalpique
1.5.2 Méthode de la capacité thermique apparente
1.5.3 Terme source de chaleur latente
1.6 Conclusion partielle
Chapitre 2 : Modélisation d’un modèle d’habitat bioclimatique
2.1 Introduction
2.2 Description du modèle physique de la toiture et de l’habitat
2.3 Principe de fonctionnement de la toiture
2.3.1 Transferts thermiques
2.4 Formulation mathématique
2.4.1 Hypothèses simplificatrices
2.4.2 Equations de base
2.4.3 Equations au niveau de la toiture
2.4.3.1 Paroi incliné par rapport à l’horizontale
2.4.4 Equation de base au niveau de l’habitat
2.4.5 Equation de la chaleur dans le matériau à changement de phase
2.4.6. Conditions aux limites
2.4.7. Performances Energétiques
2.4.7.1. Efficacité thermique de stockage de chaleur dans les MCPs
2.4.7.2. Efficacité thermique de déstockage de chaleur dans les MCPs
2.5 Méthode de résolution
2.5.1 Approximation du rayonnement solaire
2.6 Conclusion partielle
Chapitre 3 : Détermination des paramètres mis en jeu dans le fonctionnement du modèle d’habitat bioclimatique
3.1 Rappel sur les coefficients de transmission de la chaleur
3.1.1 Transfert de chaleur par conduction
3.1.2 Transfert de chaleur par convection
3.1.3 Transfert de chaleur par rayonnement
3.2 Détermination des coefficients de transfert de chaleur par conduction
3.2.1 Au niveau de la toiture
3.2.2 Au niveau de l’habitat
3.3 Détermination des coefficients de transferts de chaleur par convection
3.3.1 Au niveau de la toiture
3.3.1.1 Paroi externe de la toiture
3.3.1.2 Paroi interne de la toiture
a) Enceinte parallélépipédique ouverte
b) Enceinte parallélépipédique fermée
C) Extrémité inférieure et supérieure de la toiture
3.3.2 Au niveau de l’enceinte de l’habitat
3.4 Détermination des coefficients de transfert de chaleur par rayonnement
3.4.1 Au niveau de la toiture
3.4.1.2 Paroi interne de la toiture
a) Transferts radiatifs entre deux plans perpendiculaires ayant un côté commun et entre
deux plans de même dimension ayant un côté commun
b) Transferts radiatifs entre deux plans rectangulaires parallèles de même aire
3.4.2 Au niveau de l’habitat
3.4.2.1 Transferts radiatifs entre deux plans parallèles de longueurs infinies
3.4.2.2 Transferts radiatifs entre deux plans perpendiculaires infinis
3.5 Conclusion partielle
Conclusion générale

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