Le prototype de mur capteur décrit dans la partie précédente a été placé dans une cellule expérimentale, elle-même située en milieu extérieur et donc soumises à des conditions météorologiques réelles. Le dispositif expérimental a été instrumenté dans l’objectif de :
- mesurer la quantité de chaleur absorbée par le mur capteur. Une instrumentation liée au rayonnement solaire et au flux de chaleur en paroi a donc été mise en place ;
- suivre l’évolution des températures du MCP dans l’UST. Des thermocouples ont donc été installés sur les de l’UST ainsi qu’à l’intérieur des tubes le traversant ;
- quantifier, à partir du débit d’air circulant dans l’UST et des valeurs de température en entrée parois et sortie de l’UST, l’énergie transmise à l’air entrant ;
- dresser un bilan énergétique de la cellule.
Ce sous-chapitre décrit en premier lieu la cellule expérimentale ainsi que la cellule adjacente dans laquelle a été installé le matériel d’acquisition. Ce dernier est présenté par la suite. Enfin, l’instrumentation extérieure pour l’acquisition des conditions météorologiques, celle de l’UST et celle de l’intérieur de la cellule sont présentées.
3.1 Cellule expérimentale et cellule d’acquisition
Le prototype de mur capteur est placé dans une cellule expérimentale présentée schématiquement par la Figure 40. Cette cellule existante a été réaménagée pour l’occasion, avec notamment :
- le renforcement de l’isolation de l’enveloppe de la cellule ;
- la création d’ouvertures permettant le passage des câbles d’alimentation électrique et de l’instrumentation ;
- l’installation d’un convecteur électrique assurant l’appoint de chaleur ;
- le remplacement de la porte d’entrée par une trappe dans le but d’améliorer l’étanchéité à l’air de la cellule.
Les dimensions de la cellule, ainsi que ses caractéristiques thermiques, sont synthétisées dans le Tableau 14. Le coefficient de transmission thermique global Ug de la cellule expérimentale est calculé à partir de l’expression suivante :
𝑈𝑔=∑ 𝑈𝑖 𝑖𝑆𝑖+ ∑ Ψ𝑗 𝑗𝐿𝑗 ∑ 𝑆𝑖 𝑖
(16)
le coefficient de transmission thermique à travers chaque paroi de l’enveloppe s’exprimant par :
𝑈𝑖= 1
∑ 𝑅𝑗 𝑗+ 𝑅𝑒𝑥𝑡+ 𝑅𝑖𝑛𝑡
(17)
où les valeurs des résistances thermiques superficielles internes et externes correspondent aux valeurs par défaut données par la RT 2012 (règles Th-U, fascicule 1), à savoir pour une paroi verticale :
𝑅𝑒𝑥𝑡= 0.13 𝑚². 𝐾. 𝑊−1 𝑒𝑡 𝑅𝑖𝑛𝑡= 0.04 𝑚². 𝐾. 𝑊−1 (18) La résistance thermique de chaque couche composant les parois s’exprime classiquement par :
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𝑅𝑗 =𝑒𝑗λ𝑗 (19)
Par ailleurs, des échanges de chaleur supplémentaires entre l’ambiance intérieure et l’environnement extérieur sont à prendre en compte, liés aux transferts aérauliques. Une partie de ces échanges est souhaitée, assurant le renouvellement d’air sanitaire par des ouvertures en façade et un système de ventilation. A ces échanges souhaités, viennent s’ajouter des échanges parasites dus aux infiltrations d’air à travers l’enveloppe. Ces échanges dépendent de la différence de pression entre l’ambiance intérieure et l’environnement extérieur, ainsi que des dimensions des défauts d’étanchéité.
Nous souhaitions disposer d’une cellule expérimentale très étanche et des tests d’étanchéité ont donc été réalisés, d’une part, à l’aide d’une porte soufflante (Blowerdoor) et, d’autre part, à l’aide d’un perméascope. L’objectif était de caractériser les infiltrations d’air par la courbe donnant le débit de fuite en fonction du différentiel de pression, ainsi que les indices normalisées de ces infiltrations, à savoir :
- l’indice n50, en h-1, correspondant au taux de renouvellement d’air sous 50 Pa. Pour le label passif allemand, cet indice doit être inférieur à 0,6 h-1 ;
- l’indice q4Pa-surf , en m3.h-1.m-2, correspondant au débit de renouvellement d’air sous 4 Pa ramené à la surface froide de l’enveloppe. La RT 2012 impose une valeur inférieure ou égale à 0,6 m3.h-1.m-2 pour les maisons individuelles.
Les deux tests d’étanchéité réalisés ont mis en évidence des infiltrations d’air parasites conséquentes. Les résultats de ces tests sont présentés à l’Annexe F. Nous avons tenté de réduire ces infiltrations en les repérant à l’aide d’une poire à fumée afin de les neutraliser, puis en doublant le pare-vapeur sur l’ensemble de l’enveloppe de la cellule. Les infiltrations sont néanmoins restées importantes, avec un indice n50 évalué à 4,72 h-1. Cette valeur est nettement supérieure à celle recommandée par le label passif. La cellule expérimentale n’étant pas suffisamment étanche, le débit d’infiltration n’est donc pas négligeable, mais n’a pas pu être mesuré continuellement durant les essais réalisés.
Adjacente à la cellule expérimentale, la cellule d’acquisition (Figure 41) abrite l’armoire électrique, la centrale d’acquisition, son circuit de refroidissement, le PC d’acquisition et le dispositif de pilotage du prototype (automate et réseau électrique). Les deux cellules sont distantes de 10 cm, limitant ainsi les échanges de chaleur d’une cellule à l’autre. On notera que la cellule expérimentale est dépourvue d’ouvertures laissant entrer la lumière du jour. Bien que ce choix nous éloigne d’un cas réel, il permet une évaluation plus simple du comportement thermique du mur capteur.
Deux tubes en PVC relient les deux cellules. L’un sert à l’extraction d’air et est relié au ventilateur de la VMC qui est situé dans la cellule d’acquisition. Ce tube PVC mesure 3 m de long, longueur nécessaire pour une mesure du débit d’extraction correcte. En effet, la mesure de vitesse d’air à l’aide d’un anémomètre à fil chaud doit se faire pour un régime d’air établi. Le second tube permet le passage des câbles de la métrologie intérieure et de la métrologie du mur capteur. Il s’agit d’un tube de diamètre 100 mm. Après passage des câbles, l’étanchéité intérieure de ce tube a été réalisée avec du « scotch cravate » et de la mousse de polyuréthane expansive.
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Le mur capteur est orienté plein Sud, face à un champ. Il n’y a donc pas d’ombrage durant la journée.Figure 40 : Vue schématique du dispositif expérimental et de ses principaux éléments Tableau 14 : Propriétés de la cellule expérimentale
Dimensions extérieures L = 3,6 m l = 2,55 m H = 3,2 m Dimensions intérieures L = 2,6 m l = 1,6 m H = 2,2 m Cadre d'accueil du mur capteur H = 1,68 m L = 1,02 m e = 0,3 m Coefficient de transmission thermique global Ug 0,20 W.m-2.K-1
3.2 Centrale d’acquisition
La centrale d’acquisition est une centrale HP 75000 qui, connectée à un PC, permet d’enregistrer les mesures réalisée. Elle est programmée à l’aide du logiciel VEE-Pro (Agilent).
La centrale est placée dans un caisson régulé en température par l’intermédiaire d’un échangeur et d’un circuit d’eau relié à un bain thermostaté, permettant de maintenir la centrale d’acquisition, ainsi que les soudures froides des thermocouples, à une température constante. Cela permet en effet d’assurer la stabilité des mesures de température.
La centrale d’acquisition ainsi que l’automate sont protégés par un onduleur qui permet d’éviter un arrêt du pilotage et de l’acquisition des données lors de coupures de courant. Il s’agit d’un
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onduleur EATON 5115 800V.A. Il offre une autonomie électrique d’une heure pour la puissance requise.Figure 41 : Dispositif d'acquisition et automate, placés dans la cellule d'acquisition
3.3 Mesures météorologiques
3.3.1 Mesure du vent
Un capteur de mesure de la vitesse du vent et de sa direction a été placé sur le toit de la cellule expérimentale. Il s’agit d’une girouette anémomètre Young Wind Monitor, Model 05103. La vitesse est mesurée par un anémomètre à hélice fixé à l’avant de la girouette (Figure 42). La direction du vent est déterminée à l’aide d’un potentiomètre, dont la position du curseur dépend de celle de la girouette. Durant la campagne expérimentale, les valeurs relevées n’ont pas été exploitables, le signal de tension délivré à la centrale d’acquisition ayant présenté des anomalies.
Figure 42 : Mât météorologique avec anémomètre/girouette et sonde de température/humidité dans son abri
3.3.2 Mesure de la température et de l’humidité de l’air
Une sonde Vaissala HMP 155 AC mesure la température et l’humidité de l’air (Figure 42). Elle intègre une Pt100 à 4 fils et un hygromètre capacitif à polymère de précision, HUMICAP 180R.