Influence de la puissance des charges internes sur l’écoulement

Afin d’estimer le caractère pénalisant d’une source de chaleur placée proche du diffuseur d’air sur

la portée du jet lors du soufflage d’air froid, des simulations complémentaires sont effectuées en ne

considérant que l’occupant A et en augmentant la puissance dégagée par celui-ci (P = 500 W, voir

Figure IV.41). Les autres conditions aux limites (température de paroi, etc.) sont maintenues

constantes et correspondent à celles de l’essai F1+.

Figure IV.41. Etude paramétrique sur la puissance des charges internes. A) sans occupation, B)

occupant A uniquement (107W), C) occupant A uniquement (500W).

L’efficacité de température pour les différentes puissances de la charge interne considérées est

présentée sur la Figure IV.42. Il apparaît que l’efficacité de température diminue lorsque la

puissance de la charge interne augmente, prenant une valeur minimale de 0,97 lorsque la puissance

est de 107 W et de 0,89 lorsque la puissance est de 500W. Ce phénomène découle du caractère

pénalisant de la charge interne : elle est placée à l’intérieur de la zone d’occupation, qui est

précisément la zone où l’ambiance doit être rafraîchie.

Figure IV.42. Efficacité de température en fonction de la puissance des charges internes

1,00

1,01

1,00

1,02

1,01

1,02

1,02

0,98 0,98 ^0,98

1,01 _1,01

0,97 ^0,97

0,90

0,90

0,89

0,87

0,89

0,91

0,93

0,95

0,97

0,99

1,01

1,03

1,05

0,0E+00 2,0E-03 4,0E-03 6,0E-03 8,0E-03 1,0E-02

ε

T

Ar

₀

0 W

107 W

500 W

176

La réduction de la portée du jet lorsque des charges internes sont présentes par rapport au cas sans

charges internes, quelles que soient leurs puissances, est confirmée sur la Figure IV.43. Cependant,

pour une charge interne placée à une position donnée (occupant A), il apparaît que la hausse de la

puissance de la charge interne seule ne semble pas avoir une influence directe sur la portée du jet.

En effet, la portée diminue au maximum de 24 % par rapport au cas sans charge interne lorsque la

puissance de celle-ci est de 107 W, et elle est réduite uniquement de 20 % au maximum lorsque la

puissance de la charge interne est de 500 W. La variation de la portée en fonction de la valeur du

nombre d’Archimède au soufflage semble également être différente lorsque la puissance de la

charge interne change.

Figure IV.43. Portée du jet en fonction du nombre d’Archimède au soufflage pour P = 0W, P=107W

et P=500W

L’observation des champs de vitesse sur la partie supérieure de la zone d’occupation permet

d’expliquer la cause de ces phénomènes (Figure IV.44). En effet, il apparaît qu’une charge interne

de plus grande puissance est responsable d’une déflection latérale du jet plus marquée (comparaison

du cas E au cas H, et du cas F au cas I sur la Figure IV.44). On observe également que la vitesse

moyenne dans la zone d’occupation est plus élevée pour la charge interne de 500 W, du fait de

l’entraînement accru dans le panache thermique (cas G, H et I sur la Figure IV.44). En conséquence,

le jet dont la vitesse terminale est définie à 0,15 m/s semble moins étendu pour les cas avec la

charge interne de 500 W que pour les cas avec la charge interne de 107 W (comparaison du cas I

au cas F).

Y_18,500W= 0,436Ar₀-0,282

R² = 0,98

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

0,0E+00 2,0E-03 4,0E-03 6,0E-03 8,0E-03 1,0E-02

Y

¹⁸

(m)

Ar

₀

0 W

107 W

500 W

177

Il faut également rappeler qu’au-delà de leurs influences sur le jet et l’écoulement, lorsque les

charges internes, autres que les occupants eux-mêmes, sont de forte puissance, le panache

thermique généré au-dessus des sources de chaleur peut également constituer une source

d’inconfort par courant d’air. La vitesse à 1,8 m générée au-dessus de la charge interne de 500 W

dépasse en effet 0,5 m/s. Néanmoins, la valeur plus élevée de la température d’air dans le panache

induit un risque de courant d’air réduit en comparaison avec celui engendré par l’air froid en

provenance du soufflage, un courant d’air froid étant moins bien toléré (voir Equation(IV.4)).

178

Figure IV.44. Champs de vitesse d’air dans le plan Z = 1,8 m pour une charge interne de :

0 W : A) Ar

0

= 5,8.10

-4

B) Ar

0

= 2,2.10

-3

C) Ar

0

= 4,0.10

-3

107 W : D) Ar

0

= 6,3.10

-4

E) Ar

0

= 2,1.10

-3

F) Ar

0

= 4,2.10

-3

179

De sorte à quantifier la déflection du jet pour les différents cas, l’angle de déflection du jet par

rapport à la trajectoire rectiligne, noté δ

18

, est considéré (Figure IV.45). De même que pour la

définition de la portée, l’angle de déflection est basé sur l’enveloppe du jet à 1,8 m dont les frontières

sont définies avec une vitesse d’air égale à 0,15 m/s.

Figure IV.45. Schéma décrivant l’angle de déflection du jet (δ

18

), la portée du jet (Y

18

) et la distance du

jet (D

18

), définis à partir de l’enveloppe du jet à 0,15 m/sur le plan Z = 1,8m.

La valeur de l’angle de déflection du jet en fonction du nombre d’Archimède au soufflage et pour

les différentes puissances de charges internes considérées est tracée sur la Figure IV.46. Il apparaît

que lorsque les charges internes ne sont pas considérées, le jet suit une trajectoire presque rectiligne,

avec un angle de déflection inférieur à 5° (cas A, B, et C sur la Figure IV.44). La faible déflection

est alors due au placement non symétrique des obstacles dans la pièce, qui a une faible influence

sur l’écoulement, et la valeur du nombre d’Archimède au soufflage ne semble pas avoir d’impact

sur l’angle de déflection. Lorsque la puissance de la charge interne est importante (500 W), l’angle

de déflection augmente pour atteindre une valeur de l’ordre de 25° et le nombre d’Archimède au

soufflage semble avoir encore une fois peu d’influence sur l’angle de déflection, celui-ci étant

pratiquement constant (cas G, H, et I sur la Figure IV.44). Néanmoins, lorsque la puissance de la

charge interne est plus faible (107 W), l’angle de déflection semble varier de façon irrégulière, et en

fonction de la nature de l’écoulement dans la pièce : la déflection est maximale lorsque le jet chute

dans la zone d’occupation (δ

18

= 23°, cas F) et minimale lorsque le jet chute à la limite de la zone

d’occupation mais n’atteint pas le mur opposé (δ

18

= 10°, cas E). C’est donc dans cette dernière

configuration de chute à la limite de la zone d’occupation, qui correspond également au niveau

minimum de risques de courant d’air, que la puissance de la charge interne agit le plus sur la valeur

de l’angle de déflection (Figure IV.47).

180

Figure IV.46. Angle de déflection δ

18

en fonction du nombre d’Archimède au soufflage pour différentes

puissances des charges internes

Figure IV.47. Angle de déflection δ

18

en fonction de la puissance des charges internes pour

Ar

0

≈2,3.10

-3

2,6

7,6

1,8

1,5 1,4

2,2

15,4

12,7

9,7 9,7 ^10,3

23,0 ^23,3

25,1

24,9

23,3

0

5

10

15

20

25

30

0,0E+00 2,0E-03 4,0E-03 6,0E-03 8,0E-03 1,0E-02

δ¹⁸

(°

)

Ar₀

0 W

107 W

500W

1,8

9,7

24,9

0

5

10

15

20

25

30

0 100 200 300 400 500 600

δ¹⁸

(°

)

P (W)

181

L’angle de la déflection du jet dépend ainsi de la position de la source de chaleur par rapport au

soufflage et de sa puissance, ainsi que du nombre d’Archimède au soufflage : cela rend difficile sa

prédiction. De plus, cela confirme l’impact important des charges internes, même de faible

puissance, sur l’écoulement. Ainsi, la prédiction précise de l’écoulement dans le local en fonction

des sources de chaleur est complexe, et doit prendre en compte la position et la puissance de

l’ensemble des charges internes du local.

Les résultats de cette étude paramétrique ont mis en évidence une problématique spécifique aux

BBC, liée à la diffusion de l’air dans les pièces d’habitation. En effet, la puissance apportée par le

soufflage dans les BBC est réduite. En conséquence, même des sources de chaleur de faible

puissance, telles que des occupants, perturbe significativement l’écoulement dans la pièce. Or, afin

d’éviter un inconfort par courant d’air, il est crucial d’éviter une chute du jet dans la zone

d’occupation. Pour cela, il s’agit de choisir des conditions de soufflage adaptées, permettant

d’assurer une portée de jet suffisante. Cependant, il apparaît que la présence des charges internes

dans le local induit une réduction de la portée du jet pour une même valeur du nombre d’Archimède

au soufflage. Ainsi, il semble crucial de prendre en compte les charges internes :

- Soit de façon globale, en ne prenant pas en compte leur position dans la pièce mais en

estimant la réduction de la portée du jet en fonction de la puissance totale des charges

internes présentes. Le débit d’air et l’écart de température au soufflage sont alors choisis de

telle sorte à correspondre à un nombre d’Archimède au soufflage permettant au jet

d’atteindre la paroi opposée, et la valeur de portée minimale Y

18, min

est prise en compte

pour la détermination du nombre d’Archimède.

- Soit de façon plus fine, en prenant en compte la puissance et la position de chaque charge

interne par rapport au jet. En effet, les résultats obtenus ont permis de mettre en évidence

une relation entre la position et la puissance des charges internes sur la déflection du jet.

Ainsi, si la valeur du nombre d’Archimède est telle que le jet chute dans la zone

d’occupation, il semble qu’il serait possible de prévoir sa trajectoire et la position de sa

chute dans la pièce.

Cependant, cette dernière approche nécessiterait une étude plus approfondie de l’influence de la

position des charges internes sur l’écoulement. Elle semble intéressante dans l’absolue, mais pas

forcément utilisable en pratique dans la mesure où la position des charges internes, et notamment

celle des occupants, est amenée à changer au cours du temps.

182

Dans le document Etude expérimentale et numérique du traitement des ambiances par le vecteur air dans les bâtiments à très basse consommation d'énergie (Page 182-189)