L’augmentation incessante du prix de l’énergie a suscité l’intérêt d’utiliser des sources d’énergies gratuites et inépuisables comme celles provenant du rayonnement solaire. L’addition d’un système de chauffage solaire à un logement est une solution séduisante pour l’économie et l’utilisation rationnelle de l’énergie. Le mur capteur-accumulateur est utilisé dans le système de chauffage solaire pour faciliter la récupération gratuite de l’énergie solaire.
Le mode de fonctionnement du système
Le fonctionnement du système peut être décrit simplement de la manière suivante : la face avant du mur, soumis à un ensoleillement variable, s’échauffe en absorbant le rayonnement solaire. L’air pénètre entre le vitrage et le mur et véhicule cette chaleur à l’intérieur du mur. Dans ce cas, deux modes de circulation d’air peuvent être envisagés :
❖ En circuit fermé, l’air traverse le béton poreux, puis il est totalement recyclé sur la face insolée.
❖ En circuit ouvert, l’air prélevé à l’extérieur de l’habitat est introduit sur la face insolée du béton poreux, puis il est canalisé à l’intérieur de l’habitat.
La chaleur étant stockée dans le mur.
Le ventilateur placé au sommet du mur aspire l’air ambiant pour circuler à travers le béton poreux et de contrôler le stockage et la restitution de l’énergie. L’isolant arrière permet d’éviter les surchauffes dans le bâtiment.
Dimensions des éléments du système étudié
Nous considérons, un mur capteur-accumulateur de 2m de hauteur, de 1m de largeur et dont l’épaisseur L variable a été déterminée à l’aide de simulations numériques suivant le mode de fonctionnement, en utilisant la quantité de chaleur stockée dans le mur comme critère d’optimisation . L’épaisseur ev de la vitre est de 3mm alors que celle de l’isolant est de 3cm. Le béton poreux est constitué uniquement de gravier (granulométrie variant de 4 à 10mm) et de ciment à faible dosage (15%). Ce béton se comporte de la sorte comme une structure porteuse .
Hypothèses simplificatrices
– Au sein du mur poreux, les transferts radiatifs sont négligeables devant les échanges convectifs et conductifs.
– Le béton poreux est fixe et n’est le siège d’aucune réaction chimique ni de phénomène de transfert de masse entre le solide et l’air.
– Le terme de conduction dans l’air est négligé devant le terme de convection et la variation de la température de l’air en fonction du temps est négligée devant sa variation spatiale.
– La paroi isolante, en arrière du mur, est instantanément à la température de l’air sortant du mur (isolant parfait).
– Les effets de bord sont négligés ainsi que les pertes thermiques latérales (parois adiabatiques).
– La face avant est assimilée à un corps noir.
– L’air pénètre uniformément dans le mur à travers toute la surface verticale à la vitesse U.
– Le mur capteur-accumulateur est découpé en NT tranches de longueur y suivant l’axe vertical .
– Dans chaque tranche :
● la température de la vitre est uniforme.
● les températures des lames d’air sont uniformes : la lame arrière est à la température de l’air sortant du mur, la température de la lame avant, dépend du mode de fonctionnement et de l’indice de la tranche (voir les conditions aux limites du mur poreux).
– Dans le conduit vitre-mur poreux, une partie de l’air pénètre dans le mur poreux (suivant l’axe des x) à la température de la tranche précédente, l’autre partie s’écoule dans le conduit sans qu’elle soit perturbée par l’aspiration de la première.
– Le milieu poreux est découpé en N tranches suivant l’axe horizontal dans le sens d’écoulement au sein du mur :
● les transferts dans le milieu poreux sont unidimensionnels suivant le sens d’écoulement au sein du mur,
● le volume de référence est une tranche isotherme d’épaisseur x perpendiculaire à l’axe de l’écoulement.
INTERPRETATION DES RESULTATS
Fonctionnement en circuit d’air ouvert
Température du béton poreux
Cette augmentation des températures est due à l’absorption du rayonnement solaire sur la surface avant du mur. Après quelques heures d’exposition (4heures) les températures tendent à se stabiliser à cause de l’inertie thermique. Toutefois pour L=20cm, elles évoluent plus lentement notamment pour les faibles vitesses d’air entrant dans le mur, plus particulièrement en début de fonctionnement, pour la raison que les températures de la face arrière du mur dépendent de celles de la face avant suivant la conduction thermique dans le solide.
Temps nécessaire pour l’établissement du régime permanent et quantité de chaleur stockée
La quantité de chaleur stockée dans le mur dépend d’un certain nombre de facteurs dont les plus importants sont la température et l’épaisseur du mur. La surface du mur capte l’énergie solaire dont une partie est stockée à l’intérieur du mur, l’autre partie de la chaleur se propage par conduction et par convection dans son volume.
Introduction |
