Optimisation du conditionnement d'air des locaux de télécommunication par utilisation de produits à changement de phase

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1 Optmsaton du condtonnement d'ar des locaux de télécommuncaton par utlsaton de produts à changement de phase Davd NÖRTERSHÄUSER, Stéphane LE MASSON France Telecom R&D, 2 Avenue Perre Marzn, 2 LANNION Résumé - Cette étude a pour but la défnton de règles de concepton thermque de shelters afn de rédure la consommaton électrque dévolue au condtonnement d'ar. Pour attendre cet objectf, un outl de smulaton numérque a été développé. Un accent tout partculer a été porté sur la possblté de prse en compte de matéraux à changement de phase. Les smulatons réalsées ont montré qu'en rédusant les apports externes à l'ade d'une solaton extéreure ans qu'en augmentant sensblement l'nerte thermque par le bas de matéraux à changement de phase, l devent possble de dssper des pussances d'équpement mportantes sans producton de frod. Nomenclature Cp chaleur spécfque, J/kg/ C ρ masse volumque, kg/m 3 k conductvté thermque, W/m/ C Indces et exposants L chaleur latente, J/kg nt nterne T température, C ext externe. Introducton De nombreux petts bâtments sont utlsés pour nstaller du matérel de télécommuncatons. Il peut s'agr de NRA-HD (Nœud de Raccordement d'abonnés Haut Débt) ou de BTS (Base Transcever Staton). Les pussances nstallées dans ces bâtments tendent à crotre et pour mantenr le matérel dans des condtons de température convenables, l est nécessare de mettre en place des systèmes de condtonnement d'ar. Les shelters lourds ou légers déployés actuellement ne possèdent pas d'nerte thermque et n'ont pas été étudés thermquement. Il en résulte des dépenses trop élevées en nvestssement et en fonctonnement au nveau du condtonnement d'ar. Cette étude a pour but la défnton de règles de concepton thermque de shelters afn de rédure la consommaton électrque dévolue au condtonnement d'ar. Ces règles de concepton ncluent : - le chox des matéraux, - leur agencement, - la prse en compte et l'optmsaton de méthodes de ventlaton. Pour attendre cet objectf, l est nécessare de dsposer d'un outl de smulaton numérque prédctf. La premère parte de l'étude est donc consacrée au développement de cet outl. Un accent tout partculer a été porté sur la possblté de prse en compte de matéraux à changement de phase (PCM), matéraux qu permettent d'augmenter sgnfcatvement l'nerte thermque d'un bâtment. Ensute, en partant d'une confguraton de référence (type de bâtment classque), des modfcatons ont été progressvement apportées et leur mpact du pont de vue thermque a

2 été étudé. En foncton des résultats obtenus, une concepton de shelter assocée à un système de condtonnement d'ar optmsé est proposée. 2. Développement d'un modèle nodal pour la smulaton thermque de bâtments avec PCM On se propose de développer un modèle numérque capable de représenter les phénomènes thermques se déroulant au sen d'un bâtment smple (typquement, composé d'une pèce) ncorporant ou non des matéraux à changement de phase (PCM) dans l'enveloppe. Compte tenu de la complexté des phénomènes, l n'est pas réalste de procéder à des expérmentatons de laboratore seules afn d'optmser l'usage des PCM dans un local. Il n'est pas non plus réalste de voulor procéder à une résoluton fne en utlsant des méthodes de dscrétsaton classques car le temps de calcul serat rédhbtore. Un modèle nodal convent pour ce type d'applcaton en rason du nombre rédut de nœuds du domane physque. Dans la mesure où les équatons de base des modèles nodaux sont connues, le lecteur est nvté à se référer aux ouvrages de référence []. 2.. Résoluton du système d'équatons Pour être en mesure de représenter les phénomènes de changement de phase au sen des paros, l'adopton d'une méthode enthalpque est ntéressante dans la mesure où l n'est pas nécessare de suvre le front de changement de phase [2]. En effet, l'équaton de la chaleur prse sous sa forme enthalpque reste valde dans tout le domane physque. La relaton qu le la température à l'enthalpe est la suvante: Hm = CpmTm () (La référence d'enthalpe est prse au zéro absolu. Toutes les températures sont exprmées en Kelvn) Quelles que soent les types de paro décrts (nombre de couches et matéraux), le système d'équatons revêt la forme générque suvante: ( ext ) n+ n n n+ [ H] [ M] [ H] [ Q] * T [ N][ L][ α ] [ P] Les vecteurs [ H ] n+ et [ H ] n = () représentent respectvement l'enthalpe aux nstant n+ et n. La matrce [M] est la matrce prncpale du système. Le vecteur [Q] regroupe les termes lés à la ventlaton. Enfn, le vecteur L représente les chaleurs latentes de chaque volume du système (sot 0 s le matérau consdéré n'est pas un matérau à changement de phase) et le vecteur [ α ] représente l'état (donc la phase) de chaque volume élémentare. A chaque pas de temps, l est nécessare de détermner l'enthalpe H à partr de valeurs qu sont connues, à l'excepton du vecteur[ α ]. Il est donc nécessare de recourr à une méthode tératve pour résoudre le système. La méthode suvante est adoptée:

3 . A chaque pas de temps, une valeur a pror du vecteur [ α ] est donnée (les valeurs α sont comprses en 0 et ) n 2. Une estmaton [ ] n+ [ ] [ ] n n n+ H M [ H] [ Q] * T [ N][ L][ α ] [ P] H + de l'enthalpe est effectuée à partr de l'a pror. ( ext n ) = (2) Les tératons sont ensute poursuves jusqu'au respect (à une valeur epslon près) des contrantes suvantes): Pour tout élément à changement de phase du système, on forme une fonctonnelle R telle que: R = R (3) () ( α() ) 2 R = s n pc ( ) H + < Cp * T (s le matérau est solde, la contrante fat tendre α() vers 0 conformément à la relaton qu le température et enthalpe dans ce cas de fgure). R() = α H C * p T n+ pc () L 2 s H + > Cp * T + L (le matérau se trouve en cours n pc de changement de phase et la contrante fat tendre α() vers la relaton qu le température et enthalpe dans ce cas de fgure). () ( α() ) 2 Tpc H + conformément à C * n p L R = (s le matérau est lqude, la contrante fat tendre α() vers conformément à la relaton qu le température et enthalpe dans ce cas de fgure). On cherche donc les solutons telles que R= R( ) = 0. L'ensemble a été programmé sous MATLAB en fasant appel à la foncton fmnmax qu utlse une méthode séquentelle quadratque. Lors d'études précédentes nous avons pu constater les lmtes des logcels de CFD usuels qu résolvent de façon satsfasante les problèmes de changement de phase mas seulement en l'absence de convecton dans la phase lqude (ce qu est peu réalste, sauf dans le cas de PCM mcro-encapsulés) [3]. 3. Recherche d'une concepton optmale Le protocole suvant est adopté pour la recherche d'une concepton optmale. Le prncpe de ventlaton optmsée [4] dont le fonctonnement est décrt c après (et a été ntégré au modèle) sera consdéré pour le condtonnement d'ar des stes: La ventlaton dot pour se déclencher remplr les condtons suvantes: - La température lmte basse en nterne notée TLB dot être supéreure à une valeur seul (typquement 9 C mas le seul est généralement relevé en hver pour lmter les déclenchements et ans économser de l'énerge).

4 La dfférence de température Δ T = Tnt dot être supéreure à une valeur seul (typquement Δ Tmn = 2 C). Ensute, le débt vare lnéarement en foncton de Δ T, suvant la lo représentée c-dessous. Débt massque d'ar q max q mn Δ T mn Δ T max ΔT ( C) Fgure : Lo de varaton du débt d'ar nsufflé (et donc extrat) en foncton de la dfférence de température externe/nterne] Les los de déclenchement de la ventlaton optmsée en pérodes estvales sont telles que le système se déclenche la nut afn de refrodr la structure, tands qu'l se coupe durant les heures chaudes de la journée. La maçonnere se trouvant à une température plus basse et étant thermquement nerte échange alors avec l'ar, ce qu permet de lmter la température ambante durant les pcs de chaleur. La température en nterne ne dot pas dépasser C dans des condtons normales conformément aux spécfcatons de la norme ETSI EN class 3. [5]. 3.. Système de référence Les dmensons (en nterne) du shelter qu servra de référence pour cette étude sont: Longueur: 6 m, Largeur: 2,3 m Hauteur: 2,7 m On prendra comme structure de référence des parpangs de 0 cm non enduts et une dalle de béton au sol d'épasseur 0 cm ans qu'au plafond. Les proprétés de tous les matéraux mentonnés dans l'étude sont précsées dans le tableau suvant. Les données extéreures utlsées pour les tests provennent d'un épsode canculare relevé en août 03 à Carpentras (Fgure 2).. Matérau Conductvté thermque Chaleur spécfque Masse volumque Chaleur latente Béton + PCM.75 W/m/ C 836 J/kg/ C 2450 kg/m J/kg (Tcm= C) Parpang.05 W/m/ C 648 J/kg/ C 0 kg/m3 0 Polystyrène extrudé W/m/ C 368 J/kg/ C 8 kg/m3 0 Tableau : Proprétés thermophysques des matéraux Les températures calculées en nterne (Fgure 3) montrent qu'l est possble de dssper une pussance maxmale de 800W dans ce bâtment de référence, sans producton de frod, et sans dépasser la lmte de C en ambante.

5 /8 3/8 5/8 7/8 9/8 /8 3/8 5/8 7/8 Date Heure Fgure 2: Données d'entrée Densté de flux solare (W/m²) Phsol 5 0 /8 3/8 5/8 7/8 9/8 /8 3/8 5/8 Date Heure Fgure 3: Température calculés avec P=800W 3.2. Système de référence solé de l'extéreur avec épasseur de paro doublée Afn de rédure la contrbuton des apports externes, une solaton externe a été ajoutée (0 cm de polystyrène extrudé). Par alleurs, afn d'augmenter l'nerte du système en vue de dsposer de plus de "fracheur" durant la journée, des paros d'épasseur doublée (parpangs de cm) sont consdérées. Les modfcatons ans apportées permettent de repousser sgnfcatvement la pussance dsspable, sot 20W (Fgure 4). Par alleurs, les varatons de température en nterne sont mondres du fat de la plus forte nerte Tamb 0 /8 3/8 5/8 7/8 9/8 /8 3/8 5/8 Date Heure Fgure 4: Température calculée avec solaton externe et P2=20W 3.3. Utlsaton de matéraux à changement de phase La frme BASF a commercalsé en 07 un produt à changement de phase mcroencapsulé nommé Mcronal. Il s'agt de mcrocapsules renfermant un produt de type cre changeant de phase à 23 C ou 26 C suvant le type retenu. La poudre ans formée est à ncorporer drectement à des morters (béton, endut plâtre, etc.). Mcrotek, une socété amércane, propose par alleurs des PCM mcro-encapsulés avec le chox de la température de changement de phase entre 0 C et 50 C. On se propose d'évaluer numérquement l'effcacté de tels produts en consdérant du béton avec /3 (en volume) de PCM mcro encapsulé. Faute de données dsponbles, on supposera que la seule proprété thermophysque qu change sute à cette ncorporaton est la chaleur latente du béton résultant qu passe de L=0 (pusque le béton classque n'est pas un matérau à changement de phase) à L=28700 J/kg.

6 Le cas précédent a été reprs en consdérant non plus des parpangs de cm mas cm de béton banché addtonné de PCM. Les premères smulatons ont été effectuées en consdérant une température de changement de phase de 26 C. L'abassement de la température nterne est très sgnfcatf durant la majeure parte de l'ntervalle de smulaton (Fgure 5). Néanmons, en certans ponts de la température de paro, le cyclage de température n'est pas suffsant en fn de pérode pour repasser en phase solde. De ce fat, une température de changement de phase plus élevée serat plus approprée. La température de changement de phase a ensute été augmentée numérquement à C (d'après tous les tests effectués, l s'agt de la valeur optmale dans le cas présent). Cette fos, la lmte de dsspaton est sgnfcatvement repoussée (Fgure 6) pusque que l'on peut attendre 4500W (toujours en ventlant les murs) Tamb Tparo 5 Tamb Tparo /7 /8 6/8 /8 6/8 2/8 26/8 3/8 5/9 Date Fgure 5: Smulatons avec Tpc=26 C 0 27/7 /8 6/8 /8 6/8 2/8 26/8 3/8 5/9 Date Fgure 6: Smulatons avec Tpc= C 4. Concluson Une étude numérque a été réalsée afn de défnr une concepton optmsée de petts centres de télécommuncatons pour équpements actfs. Les conceptons de shelter classques ne présentent pas d'nerte thermque et ne permettent pas de trer part de la méthode de ventlaton optmsée (méthode de condtonnement d'ar sans producton de frod). Les smulatons réalsées ont montré qu'en rédusant les apports externes à l'ade d'une solaton extéreure ans qu'en augmentant sensblement l'nerte par le bas de matéraux à changement de phase, l devent possble de trater des pussances d'équpements mportantes sans producton de frod. Les perspectves sont de réalser une étude expérmentale afn de confronter les résultats numérques. Références [] J-B. Saulner et A. Alexandre, Revue Générale de thermque, 985, vol. 24, no280, pp [2] N. Özsk, Heat conducton, Wley Interscence, 993. [3] D. Nörtershäuser & al, Applcaton of molecular alloys as phase change materals for lmtng the rse of temperature n telecommuncaton outdoor cabnets, IHTC-3, Sydney 06. [4] S. Le Masson, Brevet d'nventon, Procédé d'évacuaton de chaleur dégagée à l'ntéreur d'un local, par ventlaton à débt varable, et système de mse en œuvre, N d'enregstrement natonal: [5] ETSI EN , Envronmental Engneerng (EE); Envronmental condtons and envronmental tests for telecommuncatons equpment; Part -3: Classfcaton of envronmental condtons; Statonary use at weatherprotected locatons

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