Etude de la convection naturelle dans un thermosiphon constitué de deux parois inclinées à chauffage asymétrique

Autre que l’isolation des murs d’un bâtiment, les PMR sont également utilisés comme complément d’isolation ou parfois seuls pour isoler les combles. En effet, la plus grande part des déperditions thermiques dans une maison se situant au niveau de la toiture, beaucoup de travaux se sont concentrés sur le développement de solutions techniques au niveau du complexe de toiture afin de diminuer les consommations énergétiques des bâtiments et d’assurer une bonne isolation d’hiver et un confort d’été. Ce chapitre s’intéresse particulièrement à l’étude de la lame d’air ventilée conçue entre la couverture (les tuiles) et l’isolation de la toiture et son impact sur les performances thermiques du complexe de toiture intégrant un produit réfléchissant en été sous l’effet de l’ensoleillement. En effet, la mise en œuvre de la lame d’air ventilée est conseillée par les DTU de la série 40. Une des fonctions importantes de la lame d’air est l’évacuation de l’humidité qui arrive à passer dans la charpente. Elle a aussi une fonction supplémentaire, celle de limiter l’échauffement des tuiles par la chaleur provenant du rayonnement solaire pour les protéger mécaniquement et augmenter également le confort d’été. En conditions estivales, l’écoulement dans la lame d’air se fait par effet thermosiphon c’est-à- dire par circulation de l’air de façon naturelle grâce à la variation de la densité du fluide soumis à un gradient de température. Ce mouvement de convection naturelle est fonction de plusieurs paramètres qui sont définis d’après la littérature par le flux solaire incident, l’angle d’inclinaison du rampant, l’allongement du thermosiphon ainsi que les sections d’ouvertures à l’entrée et à la sortie. Les travaux réalisés sur les thermosiphons inclinés chauffés différentiellement ne sont très pas nombreux dans la littérature. En effet, les études sont généralement menées sur des thermosiphons verticaux ayant les parois actives soumises à des conditions de températures ou de flux, uniformes constantes et égales.

L’objectif principal de l’étude du thermosiphon sous les tuiles est de le représenter par des corrélations pour le débit d’air induit et les coefficients d’échanges convectifs dans un modèle de rampant de toiture global en période estivale. N’ayant pas trouvé dans la littérature une corrélation adéquate pour le débit d’air induit dans cette configuration particulière de thermosiphon incliné, le but de ce travail est d’étudier à travers une approche expérimentale basée sur des mesures par PIV (vélocimétrie laser), l’écoulement d’air par convection naturelle dans la lame d’air ventilée. Un travail de modélisation du thermosiphon est ensuite réalisé sous le code CFD et est validé par les résultats expérimentaux. Des corrélations pour le débit d’air induit et les coefficients d’échanges convectifs sont ensuite proposées pour être imposées comme sollicitations dans le modèle de toiture thermique global en période estivale et développé au chapitre 5.

Le dispositif expérimental permettant de mesurer les débits d’air induits par effet thermosiphon est constitué d’une cavité parallélépipédique en plexiglas transparent d’une longueur de 100 cm, d’une largeur de 60 cm et d’une épaisseur de 3 cm. La partie supérieure de la cavité est chauffée par deux panneaux de silicones. Les températures obtenues à l’intérieur de la cavité sur les surfaces supérieure et inférieure sont alors mesurées à différents niveaux par des thermocouples et utilisées plus tard comme entrées pour le modèle numérique réalisé sous le code CFD Fluent. Les essais sont effectués pour différents niveaux de chauffage, trois longueurs de rampant (1, 2 et 3 m), deux inclinaisons (30° et 35°) et deux sections d’ouvertures (2 et 3 cm). Un modèle numérique représentant le thermosiphon du dispositif expérimental est ensuite réalisé sous le code CFD. Sur les deux surfaces actives sont imposés les profils de température mesurés. Un rapprochement est noté entre les deux valeurs, expérimentale et numériques avec une erreur moyenne de l’ordre de 8 %. Ceci permet alors de valider le modèle numérique réalisé. Les résultats sur le débit d’air montrent tout d’abord qu’une réduction du flux incident engendre des températures moyennes réduites pour les deux parois actives du thermosiphon et donc des débits d’air moins importants. Par ailleurs, une augmentation de l’écoulement d’air est observée avec l’augmentation de l’inclinaison par rapport à l’horizontale. En effet, une inclinaison plus prononcée donne un mouvement de convection naturelle plus important et des débits d’air plus élevés. D’autre part, une évolution quasi linéaire du débit induit est observée dans la plage de longueur allant de 1 à 3 m. En effet, le flux thermique incident, proportionnel à la surface de la cavité, augmente avec la longueur de la cavité ; étant le moteur de l’effet thermosiphon, le débit induit augmenterait. De plus, les pertes de charge linéaires qui augmentent avec la longueur de la cavité et qui résistent à l’augmentation du débit ne semblent pas avoir d’effets suffisamment importants pour infléchir la croissance du débit. Ainsi les seules pertes de charge qui influencent sensiblement l’effet de thermosiphon sont les sections d’ouvertures à l’entrée et à la sortie de la cavité. La température de l’air ambiant est également un facteur important. En effet les résultats montrent que le débit d’air augmente avec l’écart de températures entre la paroi froide et l’air ambiant. Les paramètres qui définissent l’écoulement d’air par convection naturelle dans ce genre de thermosiphon sont donc l’inclinaison, l’allongement de la cavité, les nombres de Rayleigh pour les deux parois, froide et chaude, la température de l’air ambiant et la section d’ouverture à l’entrée et à la sortie. Après l’étude des paramètres intervenant dans la génération de l’écoulement à l’intérieur du thermosiphon et la validation du modèle numérique réalisé, plusieurs simulations numériques sont réalisées afin de calculer des points supplémentaires et obtenir une meilleure corrélation dans ces plages de paramètres.

La corrélation établie par la méthode des moindres carrés englobe 90 % des résultats avec un écart de plus ou moins 20 %. Pour le transfert thermique à l’intérieur d’un thermosiphon incliné chauffé par un seul côté, Azevedo a établi une corrélation pour les coefficients d’échanges convectifs à l’intérieur de la cavité en fonction du nombre de Rayleigh et de l’inclinaison. Etant donné que sa corrélation est valable pour un angle d’inclinaison supérieur à 45° et pour de plus grands allongements, les coefficients d’échanges convectifs obtenus par simulations numériques validées par les mesures PIV permettent de modifier la constante d’Azevedo pour adapter la corrélation dans les plages de données étudiées. Enfin, les deux approches, expérimentale et numérique, nous ont permis d’obtenir des corrélations pour le débit d’air et les coefficients d’échanges convectifs à l’intérieur d’un thermosiphon incliné chauffé différentiellement. Ces corrélations représentant l’écoulement d’air et le transfert thermique dans la lame d’air ventilée seront introduits comme sollicitations dans le modèle thermique global représentant un complexe de toiture en période estivale intégrant un PMR et une lame d’air naturellement ventilée.