MODELISATION D UN SYSTEME DE CHAUFFAGE PASSIVE PAR LA TECHNIQUE D UN MUR TROMBE

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1 Sémnare Internatonal sur le Géne Clmatque et l Energétque, SIGCLE 2010 Khelfa HAMI Belkacem DRAOUI Omar HAMI Département de Technologe, Faculté des Scences et Technologe, Unversté de Béchar, BP 417, Béchar, Algére * Auteur correspondant (hamkhelfa@yahoo.com) MODELISATION D UN SYSTEME DE CHAUFFAGE PASSIVE PAR LA TECHNIQUE D UN MUR TROMBE Résumé : Le présent traval consste à la modélsaton de la convecton naturelle en régme lamnare dans un local stué dans la régon de Béchar (sud ouest de l Algére) chauffé par un mur Trombe. Cette étude a concerné une ournée type d'hver. Les équatons régssant le mouvement d ar et le transfert de chaleur à l ntéreur du local sont résolues numérquement à l ade d un code CFD Fluent. L nfluence de la profondeur de la chemnée solare sur le rendement thermque du système a été étudée. Le champ de la température du système est vsualsé, la température moyenne au nveau de la zone d occupaton est conforme à la norme du confort thermque. Les résultats de smulaton sont en bon accord avec ceux de la lttérature. Mots clés : convecton naturelle, chauffage passf, énerge solare, modélsaton numérque, mur Trombe. Nomenclature Lettres grecques a dffusvté thermque, m 2 /s δ dmenson de l ouverture de crculaton d ar, m b dstance du profondeur, m β coeffcent d expanson volumque, 1/K c hauteur du mur Trombe, m ν vscosté cnématque du flude, m 2 /s e épasseur du mur Trombe, m ρ masse volumque du flude, kg/m 3 H hauteur du locale, m λ conductvté thermque, w/m.k L langueur du locale, m ϕ flux solare, w/m 2 P presson, P a C P chaleur spécfque, /kg.k Indces / Exposants T 0 température de référence, K T ob température au nveau d ouverture ob ouverture basse de crculaton d ar basse, K oh ouverture haute T oh température au nveau d ouverture n zone d occupaton de crculaton d ar haute, K T n température au nveau de la zone d occupaton, K u vtesse de l ar selon x et y, m/s forces volumques, N F 1. ntroducton Compte tenu de l épusement et le coût des énerges utlsées actuellement, telles que les énerges fossles, et du constat établ par les experts concernant les exgences écologques, l est nécessare de trouver des nouvelles sources d énerges propres et gratutes c'est-àdre des énerges renouvelables, afn de préserver les ressources planétares pour les génératons futures. Dans le contexte actuel, l énerge solare est une alternatve la plus ntéressante et la plus avantageuse. Notre obectf est de l utlser dans l habtat. Notre traval consste à l utlsaton d un mur capteur stockeur (mur Trombe) qu reste l'un des systèmes les plus effcaces pour le chauffage passf des locaux. Dans ce traval nous prévoyons une smulaton numérque de la 6 et 7décembre 2010 Constantne, Algére convecton naturelle en régme lamnare dans un local mun d'un mur Trombe ventlé pendant une ournée type d'hver à l ade d un code CFD Fluent. 2. Postonnement du problème Dans ce traval nous étudons un local stué dans la vlle de Béchar, sud ouest Algéren dont la stuaton géographque est comme sut : Lattude 31 37' N, Longtude 2 14' W, Alttude 813 m 3. Prncpe de fonctonnement L ar chaud qu se trouve dans la chemnée solare (vtrage et mur = b) pénètre dans le local à travers des orfces stués en haut du mur et celu

2 à l ntéreur plus frod, est aspré naturellement par les orfces stués en bas, ce parcours est appelé thermocrculaton. Le chauffage du local est obtenu prncpalement par convecton sur la face nterne du mur qu resttue la chaleur stockée avec un certan déphasage, alors qu un chauffage nstantané est possble. Des clapets sont placés devant les orfces du bas pour évter une crculaton nverse la nut (fgure 1). Sémnare Internatonal sur le Géne Clmatque et l Energétque, SIGCLE 2010 Fgure 2 : Modèle physque 5. Condtons ntales et aux lmtes Fgure 1 : Modèle géométrque b = 0.30 m ; δ = 0.20 m ; H = 3 m ; L = 5 m ; c = 2.60 m ; e = 0.60 m 4. Modélsaton En adoptant les hypothèses c-dessous : L écoulement et le transfert de chaleur sont bdmensonnels (2D) et le régme est transtore. L écoulement est lamnare compte tenu des fables gradents de température rencontré généralement en thermque des bâtments [3], L ar est ncompressble et Newtonen, Les proprétés thermo-physques de l ar sont constantes et l approxmaton de Bousnesq est utlsée : [ ( Τ )] = ρ0 1 β Τ 0 ρ (1) Les équatons gouvernant l écoulement et le transfert de chaleur de notre système sont : = 0 Ρ (2) ρ + u = + µ + F (3) t Τ Τ Τ ρ C = Ρ + ρcρu λ (4) t T(0, x, y) = K L ar est en repos (sans mouvement) : U = V = 0 Sur les paros nternes du local (condton de non glssement) : U = V = 0 Au nveau de la surface gauche du mur Trombe on applque un flux de chaleur du rayonnement solare x = b, δ y ( H δ ) π ϕ x= b = 550 sn t (5) avec: 0 t Résoluton numérque Méthodes et algorthmes de résoluton: - Dscrétsaton: volumes fns - Schéma d nterpolaton: presson : Body force weghted quantté de mouvement : Power law énerge : Power law - Résoluton du système d équaton dscrétsées: Méthode tératve de gauss-sedel. - Contrôle de la convergence (résdus) : Résdus normalsés: contnuté = 10-4 quantté de mouvement = 10-4 énerge = Résultats et dscussons Les résultats obtenus sont présentés sous forme de fgures pour dfférentes valeurs de la profondeur de la chemnée solare afn de vor son nfluence sur le rendement thermque du système. 6 et 7décembre 2010 Constantne, Algére

3 Sémnare Internatonal sur le Géne Clmatque et l Energétque, SIGCLE Effet thermque du système Les résultats représentés dans la fgure 3 montrent l mportance du chauffage passf au cours du temps au nveau de la zone d occupaton, la température de la zone d occupaton augmente par effet de la thermocrculaton. L effet de l nerte thermque oue le rôle de stockage pour chauffer le local après les heures de l ensolellement. Les fgures : (5 ; (a), (b) et (c)) représentent la dstrbuton de la température pendant les 24 heures de fonctonnement du système, le local est chauffé par le prncpe thermocrculaton durant le our et par nerte du mur le sor. Les résultats obtenus montrent qu en plen hver, les températures au nveau de la zone d'occupaton sont convenables à l ntervalle du confort thermque qu est entre (18 C - 24 C). (a) Fgure 3 : Evoluton de la température au nveau de la surface extéreure du mur Trombe et au nveau de la zone d occupaton La fgure 4 représente l améloraton du transfert thermque par la conducton thermque au cours du temps au nveau de l épasseur du mur Trombe (forte nerte de préférence). Il est clar que le mur Trombe commence a capté de la chaleur qu provent de l ensolellement pendant le our, pus l resttue cette énerge dans la pérode nocturne. (b) (c) Fgure 4 : Evoluton de la température au nveau de l épasseur du mur Trombe à 1heure et 8 heures de fonctonnement Fgure 5 : Echange thermque du système : (a)- 1 heure, (b)- 8 heures et (c)- 24 heures de fonctonnement 6 et 7décembre 2010 Constantne, Algére

4 Sémnare Internatonal sur le Géne Clmatque et l Energétque, SIGCLE Effet dynamque du système La fgure 8 représente l évoluton de la vtesse U suvant la hauteur au mleu du local, on remarque qu l exste tros régons, la premère est stué en haut (zone de soufflage de l ar chaud), la deuxème est stué en bas (zone d aspraton de l ar frod) et la trosème est une zone de stratfcaton thermque sous l effet des forces volumques où nous constatons que les vtesses sont très fables. Fgure 6 : Evoluton de la température au nveau de la chemnée solare à 1h, 3h, 6h et 8h de fonctonnement Fgure 8 : Profl de vtesse U après 8 heures de fonctonnement au nveau de la surface vertcale au mleu du local Fgure 7 : Débt massque a travers la chemnée solare à 1h, 5h et 8h de fonctonnement pour (δ = 20cm, δ = 30cm) Les résultats représentés dans les fgures 6 et 7 montrent que : Le rendement thermque du système est une foncton de l apport de la chaleur et ne dépend pas de la profondeur de la chemnée solare. Le débt massque à travers la chemnée solare au cours du temps est une foncton à la fos de l'apport de chaleur et de la profondeur de la chemnée solare. Ce qu est tout à fat en bon accord avec le traval de [2]. 8. Concluson Les smulatons étudées lors de ce traval nous permettent de trer les conclusons suvantes : La température au nveau des ouvertures du haut (l ar chaud) dépend étrotement du flux solare. Les résultats de smulaton obtenus donnent une température de l ar assez élevées à la sorte, favorable pour assurer un bon confort thermque. L utlsaton de l'énerge solare consste à bénéfcer de l'apport drect du rayonnement solare, on dot tenr compte de l'énerge solare lors de la concepton archtecturale (façades doubles, orentaton vers le sud, surfaces vtrées, etc ). Les résultats obtenus pour la régon de Béchar semblent ntéressants, ce qu permet de fare beaucoup d économe d énerge. 6 et 7décembre 2010 Constantne, Algére

5 Sémnare Internatonal sur le Géne Clmatque et l Energétque, SIGCLE 2010 Références [1] ARVIND CHEL J.K. NAYAK, GEETANJALI KAUSHIK, Energy conservaton n honey storage buldng usng Trombe wall, Energy and Buldngs, Elsever, Vol. 40, pp , [2] S.A.M. BUREK, A. HABEB, Flow and thermal effcency characterstcs n solar chmneys and Trombe walls, Energy and Buldngs, Elsever, Vol. 39, pp , 2007 [3] YAMINA HARNANE, MHAMED AFRID, Natural convecton has great number of Ralegh n a horzontal layer of flud, approaches expermental, JITH, Alb, France, [4] THEODOSIU C, Modelng of the techncal systems n the feld of the equpment of the buldng ndustres usng the codes of the type CFD, These, INSA LYON, pp. 161, [5] LEPERS S, Modelng of the ar flows n the buldngs usng codes CFD: contrbuton to the development of a protocol of valdaton, These, INSA LYON, pp. 247, et 7décembre 2010 Constantne, Algére