8.1 Conditions expérimentales des essais
Lors des essais de charge et décharge simultanées, la décharge est permanente tandis que la charge est périodiquement activée. Ainsi, en pratique, l’air circule en permanence tandis que le film chauffant est alimenté périodiquement. L’essai présenté ici a duré six jours. La décharge a été continue sur ces six jours. Par contre la charge n’a été activée qu’au cours des quatre premiers jours, et ce, afin d’avoir une décharge totale de l’UST en fin d’essai.
Au cours de l’essai, le débit d’air est fixé à 15 m3.h-1 et la température de consigne de l’air à 10°C les 36 premières heures, puis à 7,5°C. Toutefois, comme on peut l’observer sur la Figure 103 (a), la température en entrée de l’UST mesurée dans le plenum supérieur de l’UST (en bleu) diffère de la température de consigne (en vert) durant les périodes de charge. En effet, lors de ces périodes, le plenum reçoit de la chaleur provenant du film chauffant via la structure en acier de l’UST. Par conséquent, la température d’air augmente dans le plenum supérieur. Cette observation confirme ce qui avait été constaté à la suite des essais réalisés avec le premier dispositif expérimental, la température d’air mesurée dans le plenum étant supérieure à celle mesurée par la station météorologique.
Le Tableau 19 précise les durées de chaque période de charge, commençant à la première heure de chaque jour, et les valeurs des densités de flux de chaleur correspondantes. La Figure 103 (b) présente l’évolution de la puissance d’alimentation du film chauffant. Les durées et valeurs des puissances imposées correspondent à des valeurs réalistes d’apports solaires captés lors de journées ensoleillées d’hiver.
Figure 103 : (a) Évolution du débit d’air et des températures d’air à l’entrée de l’UST et à la sortie de l’échangeur ; (b) Évolution de la puissance d'alimentation du film chauffant Tableau 19 : Durées et valeurs des densités de flux des périodes de charge de l’UST
Jour Durée Densité de flux
1er 8 heures 450 W.m-2 2nd 8 heures 450 W.m-2 3ème 5 heures 315 W.m-2 4ème 8 heures 430 W.m-2 (a) (b)
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8.2 Évolution des températures au sein du MCP
La Figure 104 présente l’évolution des températures au sein du MCP mesurées à chaque niveau. Les températures relevées oscillent avec une amplitude qui augmente selon la hauteur dans l’UST pour les jours 1, 2 et 4. Au contraire, durant le jour 3 l’amplitude des oscillations au niveau 4 est inférieure à celle observée au niveau 3. Pour ce même jour, les températures maximales atteintes au niveau 2 sont supérieures à celles du niveau 3 qui sont elles-mêmes supérieures à celles des niveaux 1 puis 4.
Lors des essais de charge, deux flux de chaleur importants ont été identifiés : le flux horizontal en paroi, et le flux vertical lié au phénomène de recouvrement de la phase solide par la phase liquide. Ce second flux est d’autant plus important que le flux en paroi l’est lui-même, car plus le MCP est chauffé plus il se liquéfie, et plus le phénomène de recouvrement est intense. Lors des essais de décharge le flux entre l’air et l’UST est horizontal et dépend du gradient de température entre l’air et le MCP. Ces trois flux s’additionnent durant les charges et décharges simultanées, et les variations de température du MCP sont dues à l’importance de chacun de ces trois flux et à la chaleur latente du MCP. Selon les jours, le comportement thermique du MCP présente des différences. Au cours des jours 1, 2 et 4, le flux de chaleur lié au phénomène de recouvrement est prépondérant. Ainsi, la température du MCP est plus élevée dans les niveaux supérieurs malgré une décharge plus importante, l’air étant plus froid dans la partie haute de l’UST. Au contraire, au cours du jour 3, ce flux de chaleur vertical est plus faible et est alors insuffisant pour compenser la décharge plus importante en partie haute.
Par conséquent, on observe au niveau 4 pour les jours 1, 2 et 4 une homogénéisation des températures de la phase liquide aux cinq points de mesure, et pour le niveau 3, aux points T31, T33 et T35. Par ailleurs, on peut remarquer que la température du MCP en des points éloignés de la paroi captatrice ne dépasse jamais la température de cœur de fusion, hormis au niveau 4. La capacité latente totale de l’UST n’est donc pas entièrement exploitée dans le cas d’un chauffage d’air en continu.
8.3 Température d’air et bilan énergétique
La Figure 105 présente l’évolution des températures d’air en entrée et en sortie de l’UST. Durant tout l’essai de charge et décharge simultanées, l’air est préchauffé. La température d’air mesurée à la sortie de l’UST oscille avec des amplitudes pouvant être supérieures à 10°C sur une journée. Les températures maximales sont atteintes à la fin des phases de charge.
Le bilan énergétique est établi conformément aux équations présentées à la Section 3.2. Afin de tenir compte du préchauffage de l’air dans le plenum supérieur, la quantité de chaleur fournie à l’air est décomposée en deux termes, à savoir la quantité de chaleur fournie à l’air dans le plenum, nommée 𝐸𝐴𝑖𝑟,𝑝𝑙𝑒𝑛𝑢𝑚, et celle fournie à l’air au sein de l’UST, nommée 𝐸𝐴𝑖𝑟,𝑈𝑆𝑇. On a :
𝐸𝐴𝑖𝑟,𝑝𝑙𝑒𝑛𝑢𝑚 = ∑𝑞̇𝑟é𝑒𝑙
3600(1 − 𝜏𝑖𝑛𝑓)𝜌𝐴𝑖𝑟𝐶𝑝𝐴𝑖𝑟(𝑇𝐸− 𝑇𝐶𝑜𝑛𝑠𝑖𝑔𝑛𝑒) ∆𝑡 (124) où 𝑇𝐶𝑜𝑛𝑠𝑖𝑔𝑛𝑒 est la température de consigne imposée à la sortie de l’échangeur, et :
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𝐸𝐴𝑖𝑟,𝑈𝑆𝑇 = ∑𝑞̇𝑟é𝑒𝑙3600(1 − 𝜏𝑖𝑛𝑓)𝜌𝐴𝑖𝑟𝐶𝑝𝐴𝑖𝑟(𝑇𝑆− 𝑇𝐸) ∆𝑡 (125) Le Tableau 20 synthétise les résultats obtenus chaque jour. On constate une cohérence entre l’énergie fournie en paroi, quotidiennement, et l’énergie restituée à l’air. Par ailleurs, la différence sur le bilan énergétique établi expérimentalement (par définition nulle pour le calcul théorique) est inférieure à 50 % de l’incertitude sur l’énergie reçue par l’air (hormis le 3ème jour).
On peut aussi remarquer que le dispositif expérimental est isolé de manière satisfaisante puisque les échanges de chaleur avec l’environnement sont faibles par rapport aux autres quantités de chaleur mises en jeu.
La Figure 106 présente l’évolution de la puissance d’alimentation du film chauffant fournie à la paroi captatrice et du flux de chaleur récupéré par l’air. Chaque jour, le maximum de flux de chaleur récupéré par l’air est atteint deux heures après l’interruption de l’alimentation du film chauffant. La puissance moyenne de chauffe est de 37 W, 43 W, 26 W, 40W, 13 W, et 7 W pour les six jours que compte l’essai.
Figure 104 : Évolution de la température du MCP relevée par chaque thermocouple des différents niveaux
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Figure 105 : (a) Évolution de la température d'air en entrée et en sortie de l'UST ; (b) Positionnement des thermocouples au sein de l’UST
Tableau 20 : Résultats du bilan énergétique pour chaque jour de l’essai
Jour Différence d’enthalpie Énergie reçue en paroi Énergie reçue par l’air Énergie échangée avec l’environnement Résidu sur le bilan énergétique Incertitude de la valeur calculée d’énergie reçue par l’air ∆𝐻𝑀𝐶𝑃 + ∆𝐻𝑎𝑐𝑖𝑒𝑟 𝐸𝑝𝑎𝑟𝑜𝑖 𝐸𝐴𝑖𝑟 𝐸𝑈𝑆𝑇/𝐸𝑛𝑣 𝜀𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙𝑒 𝜀𝐴𝑖𝑟 1 7 105 J 4 106 J 3,1 106 J -1 105 J 5 105 J 1 106 J 2 -2 105 J 3,7 106 J 3,8 106 J -2 105 J 4 105 J 1,1 106 J 3 -5 105 J 1,6 106 J 2,3 106 J 0 J 5 105 J 0,8 106 J 4 5 105 J 4,1 106 J 3,5 106 J -1 105 J 3 105 J 1 106 J 5 -6 105 J 0 J 1,2 106 J 2 105 J 2 105 J 0,6 106 J 6 0 J 0 J 0,6 106 J 3 105 J 2 105 J 0,5 106 J
Figure 106 : Évolution du flux de chaleur récupéré par l'air et de la puissance d’alimentation du film chauffant