Pendant les périodes de non exposition (PNE), la paroi de l’UST cède de la chaleur à l’environnement extérieur. Ces déperditions ont pour origine, d’une part, les échanges radiatifs GLO avec le vitrage et, d’autre part, les échanges convectifs avec l’air situé entre la paroi captatrice et la vitre. L’air échange également de la chaleur avec le vitrage et celui-ci échange ensuite avec l’environnement extérieur par rayonnement et convection. La présence du volet permet de réduire ces déperditions de chaleur vers l’extérieur en supprimant les échanges radiatifs avec la voûte céleste, et en limitant les échanges convectifs avec l’air extérieur.
La densité de ce flux déperditif est mesurée par les fluxmètres durant les PNE. Comme pour l’énergie reçue, l’énergie perdue dépend de l’intégrale sur le pas d’acquisition de la moyenne des quatre flux mesurés. Ce calcul simplifié peut être discuté puisque la décharge dépend de la température en paroi. Or, celle-ci n’est pas homogène étant donné que le déstockage de l’UST par circulation d’air est d’intensité décroissante de haut en bas de l’UST. De plus, le phénomène de recouvrement de la phase solide par la phase liquide conduit à des niveaux de température plus élevés en haut qu’en bas de l’UST. Enfin, le déstockage par circulation d’air n’est pas d’intensité identique dans toutes les colonnes. Ces 3 constats et observations sont détaillés à la Section 4.4 de ce chapitre.
Les valeurs d’énergie quotidienne reçue et d’énergie quotidienne réémise par l’UST sont présentées à la Figure 52. Les valeurs obtenues sont comparées à celles de l’énergie provenant du rayonnement solaire incident à la vitre verticale en PE, mesuré par le pyranomètre situé en paroi, au-dessus du mur capteur.
Notons que, durant la PE, la densité de flux mesurée par les fluxmètres est la somme des apports du rayonnement solaire CLO, des échanges radiatifs GLO entre la paroi et la vitre8 et des échanges convectifs entre la paroi et la lame d’air fermée. Ces trois mécanismes de transfert de chaleur sont détaillés au chapitre 3 (Section 2).
8 L’échange radiatif GLO entre la vitre et la paroi, inclus dans la mesure du fluxmètre, peut être positif si la température de la vitre est supérieure à celle de la paroi, et négatif dans le cas contraire.
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Figure 52 : Bilan énergétique quotidien en paroi et énergie provenant du rayonnement solaire incident à la vitre
4.3.2 Énergie de préchauffage
L’air circulant dans les tubes récupère une part de l’énergie stockée dans l’UST. La puissance de chauffe est calculée par le produit du débit massique d’air, de la chaleur spécifique de l’air et de la différence de température entre l’entrée de l’UST et la sortie de l’UST :
𝐸𝐴𝑖𝑟 = 𝑚̇𝑎𝑖𝑟𝐶𝑝𝑎𝑖𝑟(𝑇𝑎𝑖𝑟,𝑆− 𝑇𝑎𝑖𝑟,𝐸)∆𝑡 (22) L’intégration selon le pas d’acquisition de cette puissance, permet d’obtenir la quantité de chaleur fournie à l’air durant la campagne de mesure. La température de l’air en entrée de l’UST est supposée être égale à celle de l’air extérieur. La température de l’air à la sortie de l’UST est la température d’air soufflée mesurée dans le plénum de sortie.
Les valeurs des quantités de chaleur fournies à l’air et absorbées par l’UST quotidiennement sont données à la Figure 53. La quantité de chaleur absorbée par l’UST est définie comme la somme de l’énergie reçue par rayonnement solaire CLO et de l’énergie réémise par rayonnement GLO. Comme précisé à la Section 3.6 de ce chapitre, l’évaluation de la valeur du débit d’air dans le mur capteur est délicate. Une valeur théorique de débit a été considérée en première approximation et l’incertitude de mesure n’a donc pas pu être évaluée. Néanmoins, les valeurs de quantité de chaleur obtenues sont en cohérence avec les valeurs des températures relevées. En effet, si l’on estime qu’en fin de journée le mur a stocké plus d’énergie qu’il n’en a restituée, les valeurs des températures relevées sur l’UST sont plus élevées que le jour précédent. Ce constat est valable également les jours où la quantité de chaleur restituée est supérieure à la quantité de chaleur stockée. Dans ce cas, les valeurs des températures de l’UST diminuent d’un jour à l’autre.
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Figure 53 : Quantités de chaleur quotidiennes fournies à l'air et absorbées par le mur capteur
On peut constater que du 9 au 12 février, période pour laquelle les apports solaires sont très faibles, l’air est tout de même préchauffé, ce qui signifie que l’UST cède la chaleur qu’elle a accumulée les jours précédents. Les 13 et 14 février, la quantité de chaleur absorbée est supérieure à la quantité de chaleur fournie à l’air car, d’une part, le rayonnement solaire est plus important que les jours précédents et, d’autre part, la température de l’air extérieur est plus importante que les jours précédents. Par conséquent, la valeur du gradient de température entre l’air circulant dans l’UST et les parois de l’UST est plus faible, donc la puissance de chauffe l’est de même, ainsi que la quantité de chaleur fournie à l’air. Du 15 au 19 février, l’ensoleillement est maximal (aucune couverture nuageuse) et la quantité de chaleur fournie à l’air est inférieure à celle qui est absorbée par le mur capteur. L’UST accumule donc de l’énergie. Ceci est confirmé par les mesures de température réalisées dans les tubes de l’UST qui indiquent une élévation de température jour après jour (Figure 56 et Figure 57). Enfin, le 20 février, bien que les conditions météorologiques soient identiques à celles des quatre jours précédents, la quantité de chaleur fournie à l’air est supérieure à celle qui est absorbée par le mur capteur. En effet, l’énergie fournie à l’air dépend du gradient de température entre la température de paroi des tubes et la température de l’air. Cette dernière est relativement constante entre le 16 et le 20 février, tandis que les valeurs des températures de paroi augmentent. Dès lors, le 20 février le gradient de température entre la paroi et l’UST est suffisamment important pour que l’énergie fournie à l’air soit supérieure à l’énergie absorbée par la paroi captatrice. Enfin, on peut remarquer qu’il a fallu plusieurs jours bien ensoleillés avant d’atteindre des températures suffisamment élevées pour que la décharge devienne plus importante que la charge.
4.3.3 Énergie accumulée par l’UST
L’UST peut accumuler et/ou déstocker de la chaleur quotidiennement. Le bilan énergétique journalier de l’UST s’écrit donc :
𝐸𝑈𝑆𝑇𝑗+1= 𝐸𝑈𝑆𝑇𝑗 + 𝐸𝑐𝑎𝑝𝑡é𝑒,𝑃𝐸− 𝐸𝑝𝑒𝑟𝑑𝑢𝑒,𝑃𝑁𝐸− 𝐸𝐴𝑖𝑟 (23)
où 𝐸𝑈𝑆𝑇𝑗 est la quantité de chaleur stockée dans l’UST à la fin de la journée j. Cette dernière est relative à une valeur d’énergie arbitraire prise comme référence et notée 𝐸𝑈𝑆𝑇0 . On pose arbitrairement 𝐸𝑈𝑆𝑇0 = 0, ce qui explique la présence de valeurs d’énergie stockée négatives sur la Figure 54.
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Figure 54 : Quantité de chaleur stockée en fin de journée dans l'UST (relative à une valeur de référence considérée arbitrairement nulle en début de période d’acquisition)
On peut voir que, durant la période ensoleillée, l’UST emmagasine une quantité de chaleur significative. Cette accumulation de chaleur induit une augmentation des pertes en paroi (Figure 53). Par ailleurs, le 19 février l’énergie stockée dans l’UST atteint son maximum qui est de 1,3 kWh (relatif à la valeur de départ). Après une période de 4 ou 5 jours ensoleillés, et malgré un préchauffage important (la température moyenne de l’air extérieur durant cette période est de 5,3°C), l’UST a accumulé suffisamment d’énergie pour une autonomie de préchauffage d’au moins 24 h en l’absence d’apports solaires.
4.4 Constat expérimental sur le prototype de l’UST
Au cours de cette première campagne expérimentale, diverses observations ont été faites, telles que celles du phénomène de recouvrement de la phase solide par la phase liquide, ou encore d’une distribution non homogène de l’air dans les dix colonnes de l’UST.
Ces observations sont décrites ci-après. Elles reposent sur une lecture comparative des valeurs de température relevées. À noter que dans ce qui suit la densité de flux relevée en paroi est homogène et que l’on peut donc considérer que le flux solaire est identique d’une colonne à une autre et suivant la hauteur de chaque colonne.
Afin d’en faciliter la lecture, chaque graphique est accompagné de schémas précisant la position des points de mesure, ainsi que le code couleur utilisé et la nomenclature des capteurs.
4.4.1 Phénomène de recouvrement de la phase liquide sur la phase
solide
Ce phénomène intervient lors de la fusion du MCP. La phase liquide est amenée, par convection, à recouvrir la phase solide. De ce fait, le front de fusion ne demeure pas vertical, comme on peut le voir sur la Figure 55.
Dans le cas de l’UST, cela se traduit par un stockage de chaleur plus important en partie haute de l’UST, une fois le changement de phase amorcé. Ceci a été observé lors de la montée en température, en comparant les valeurs de température mesurées pour une même colonne mais à deux hauteurs différentes (Figure 56). À chaque niveau, on compare la température mesurée dans le tube 1, situé à proximité de la paroi captatrice (en rouge pour le niveau haut et en orange pour