Soutenance mémoire
Aujourd’hui, le dérèglement climatique causé par les émissions de gaz à effet de serre est de plus en plus inquiétant. En effet, pendant certaines périodes de l’année et dans certaines régions, les températures peuvent atteindre 40 °C, mais chuter jusqu’à 15 °C. Il est donc nécessaire de baisser ou d’augmenter par la climatisation ces températures dans l’habitat pour le bien être des occupants et la protection de certains matériaux sensibles à ces variations thermiques. Cela demande une forte consommation d’énergie surtout fossile et donc accentue les problèmes environnementaux. A cela s’ajoute l’épuisement des combustibles fossiles qui a eu comme conséquence la crise énergétique actuelle.
Dans ce contexte de nouveaux scénari énergétiques sont à mettre en œuvre. Ces scénari reposent sur une utilisation simultanée de tout un panel de ressources d’énergies (énergie solaire, éolienne, hydraulique etc.), qui remplacent progressivement et en partie les énergies fossiles. L’aspect économique passe ici en second plan au profil d’une vision plus environnementale de la production d’énergie. Le chauffage et le rafraîchissement de l’habitat doivent donc faire appel aux énergies renouvelables. « En fait les résultats obtenus au cours des dernières années ont montré que le chauffage et le rafraîchissement des locaux sont non seulement techniquement faisables, mais aussi économiquement concurrentiels » [Nation unies 1980]. Les énergies renouvelables se présentent alors comme une alternative à la crise énergétique et à la dégradation de l’environnement. Il nous semble donc important de pousser les recherches dans ce domaine. C’est dans cette perspective que nous avons opté de travailler sur le sujet « chauffage et rafraîchissement du local par le plancher ».
Simulation du comportement thermique d’un bâtiment
Nous étudions le comportement thermique d’un bâtiment muni d’un système de chauffage et de rafraîchissement par le plancher. Ce dernier est parcouru par un serpentin en cuivre dans lequel on fait circuler de l’eau chaude ou froide selon la période de l’année.
Analogie électrique-thermique : Equation de la chaleur
Le transfert thermique dans le bâtiment est un phénomène très complexe. Les équations sont non linéaires et souvent très nombreuses. Pour illustrer les échanges thermiques dans l’habitat, on peut utiliser l’analogie éléctro thermique des éléments supposés linéaires.
Bilan thermique : Détermination des paramètres
La modélisation est basée sur le calcul des bilans thermiques entre les éléments constitutifs du système. Ce bilan thermique consiste à faire la loi des nœuds. Il nous permet de déterminer les paramètres (température de l’air du local, température du plancher, le flux absorbé ou émis etc.) Le système est constitué du plancher chauffant/rafraîchissant et son environnement (les quatre murs, le plafond et l’ambiance extérieure). Le plancher est modélisé par la résistance R1 en parallèle avec la capacité C1 ; les quatre murs et le plancher sont également modélisés par R2 en parallèle avec C2.
Notion de confort thermique
Le confort thermique est une notion subjective difficile à quantifier. Elle dépend non seulement des caractéristiques « météorologiques » de l’environnement (telles que la température, l’humidité, la vitesse de l’air etc.) mais aussi des facteurs liés à l’activité de l’usager, à ses vêtements.
La simulation
Description de la cellule d’habitation simulée
La simulation est faite sur Excel et grâce au logiciel matcad. Le local simulé est situé dans la région de Dakar. Il a une forme parallélépipédique. La longueur est égale à 4 mètres. La hauteur et la largeur sont égales et mesurent 3 mètres. Le plancher, constitué en béton plein est parcouru par un serpentin en cuivre dans lequel on fait circuler de l’eau chaude ou froide selon la période de l’année.
Conditions climatiques de la simulation
Nous considérons des conditions climatiques particulières de journée-types de ciel clair pour faire la simulation. Nous avons choisi la journée du 31 Août et du 19 Janvier 2006 supposée respectivement la plus chaude et la plus froide de l’année. Le site a les paramètres suivants : Latitude 14o 44 Nord, Longitude 17o 30 Ouest.
Le rafraîchissement
Pendant la période de forte canicule, les températures peuvent grimper jusqu’à 40 o C. Pour rafraîchir le local on fait circuler de l’eau dans le serpentin à une température inférieure à la température ambiante. Dés que la température du local est supérieure à celle du plancher, celui-ci absorbe le surplus de chaleur pour abaisser la température de l’habitat. Ainsi la température diminue de manière suffisante pour que l’on puisse ressentir un rafraîchissement de l’air du local. La simulation en mode rafraîchissement est faite pour la journée du 31 Août 2006 c’est-à-dire le 243éme jour de l’année. Dans les tableaux ci-dessous nous avons quelques valeurs thermo- physiques des matériaux (chaleur massique, masse volumique et conductivité thermique) ; nous avons également quelques valeurs de résistances et capacités thermiques.
Résultats de la simulation et validation du modèle
La validation de notre modèle a été réalisée à l’image des résultats de l’étude faite par [Sambou V., 1996] dans son mémoire de DEA, qui a r éussi à b aisser la température de la cellule d’habitation de 1,4 °C ; [CORTES H. et BLOT J., 1999] qui, dans leur étude des transferts thermiques, application à l’habitat, ont utilisé un système identique en mode chauffage, avec un échange de chaleur assuré par un radiateur et non par un plancher. Ainsi nous allons voir l’influence des matériaux de construction, l’influence l’épaisseur des murs et du plancher sur la température du local. BC, Par et LV désignent respectivement briques creuses, parpaing et laine de verre.
Le plancher étant en béton et les murs en parpaing, la température de l’air du local diminue avec l’épaisseur des murs . Plus l’épaisseur du m ur est faible, plus la résistance thermique entre l’air du local et l’extérieur est faible . Dans ce cas le flux absorbé par le plancher pour parvenir au confort thermique est important (relation I-3). Après 2 heures de fonctionnement nous avons une diminution de la température de l’air du local par rapport à l’extérieur d’environ (2,2 °C pour 5 cm d’épaisseur, 1,6 °C pour 10 cm d’épaisseur, 1,2 °C pour 15 cm d’épaisseur et 0,8 °C pour 20 cm d’épaisseur). Ainsi pour un m ême plancher, plus l’épaisseur du mur est faible, plus le flux absorbé doit être important et la température de l’air du local chute le plus rapidement.
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Table des matières
Introduction
Chapitre I : Simulation du comportement thermique d’un bâtiment
I-1) Analogie électrique-thermique : Equation de la chaleur
I-2) Bilan thermique : Détermination des paramètres
I-3) Notion de confort thermique
Chapitre II : La simulation
II-1 Description de la cellule d’habitation simulée
II-2 Conditions climatiques de la simulation
II-3 Le rafraîchissement
a) Résultats de la simulation et validation du modèle
-Influence des matériaux de construction
-Influence de l’épaisseur des murs
-Influence de l’épaisseur du plancher
b) Comportement de l’habitat sur un site donné, pour des données météorologiques déterminées
II-4 Le Chauffage
Conclusion
A-Annexe1 : Etude bibliographique
A-1 Conversion thermique du rayonnement solaire
a) Généralités
b) Conversion photo thermique
A-2 Les capteurs solaires
a) Les capteurs plan
b) Les capteurs à tubes sous tubes
A-3 La production d’eau chaude
a) Le système thermosiphon
b) Le système à circulation forcée
A-4 La production d’eau froide
a) Les cellules à effet Peltier (CEP)
b) La machine frigorifique solaire à absorption
b-1) Le principe de fonctionnement
b-2) Estimation du coefficient de performance (COP)
b-3) Propriétés
A-5 Estimation du rayonnement solaire global horaire au sol
A-6 Estimation de la température de l’air extérieur
B- Annexe2 : Les échanges thermiques dans le bâtiment
B-1 Généralités
B-2 La conduction en régime permanent
a) Loi de Fourier
b) : Conduction thermique à la traversé d’un mur
B-3 La convection
a)La convection naturelle
b) La convection forcée
c) Le rayonnement
Conclusion
REFERENCE BIBLIOGRAPHIQUE
WEBOGRAPHIE
