IV.4 Validation des modèles avec les mesures expérimentales
IV.4.3 Modèle de l’ECAS
L'ECAS est validé sur la base des données expérimentales prises pendant les saisons d'hiver et d'été de 2013, puisque l’ECAS est utilisé à la fois pour le chauffage et le refroidissement. Comme nous l'avons indiqué au chapitre III, le « Type 997 » utilise le modèle du sol (Kusuda, 1983) afin de calculer la température du sol à différentes profondeurs. Ce modèle de sol nécessite des paramètres d'entrée liés à l'état météorologique du site qui sont : la température annuelle moyenne du sol (𝑇𝑚), l’amplitude annuelle de la température de la surface du sol (𝐴𝑠) et le temps de l’année correspondant à la température minimale superficielle du sol (𝑡0).
IV.4.3.1 Estimation des paramètres du modèle du sol
L'estimation des paramètres du modèle de sous-sol (𝑇𝑚, 𝐴𝑠 et 𝑡0) est basée sur les conditions météorologiques (température extérieure de l’air) de la région où l'EAHE est installé (Figure VI-17). Afin de fournir la température de l'air extérieur tout au long de l'année, nous avons utilisé le logiciel Meteonorm (Meteonorm, 2014). Ce dernier est utilisé pour générer les données climatiques de n'importe quel site, basé sur l’historique climatique des deux dernières décennies de la région en question.
En basant sur ces données, la température moyenne annuelle du sol est égale à la température moyenne annuelle de l’air, 𝑇𝑚= 23,8°𝐶.
La période de l'année correspondant à la température superficielle minimale (𝑡0) peut être estimée en utilisant deux solutions :
La première est de collecter des informations sur la température de surface du sol en utilisant des données mesurées in situ ;
La seconde est de spécifier l'heure où la température moyenne annuelle de l’air ambiant est la plus basse. En se basant sur la seconde méthode, la valeur de (𝑡0) est prise autour de 419 h.
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Figure VI-17 : Représentation schématique du système sol-tuyau et paramètres d'entrée utilisés dans le modèle du sol
L'amplitude des températures du sol est l'un des principaux paramètres utilisés pour caractériser la variation de température du sol et définir la profondeur optimale lors de la conception des systèmes de chauffage et de refroidissement. L'amplitude de température du sol à n'importe quelle profondeur est calculée en utilisant l'équation suivante :
𝐴𝑍 = 𝐴𝑠 𝑒𝑥𝑝−𝑍√
𝜋
𝑃 𝜕𝑠 (IV.4)
Avec 𝐴𝑍 (°𝐶) amplitude de températures du sol, 𝐴𝑠 (°𝐶) amplitude annuelle de la température de la surface du sol, 𝑍 (𝑚) profondeur du sol, 𝑃 (ℎ) temps de l’année et 𝜕𝑠(𝑚2/ℎ) diffusivité thermique du sol.
La diffusivité thermique du sol est calculée en utilisant l’équation suivante :
𝜕𝑠 = 𝜆𝑠
𝜌𝑠 𝐶𝑝𝑠 (IV.5)
Avec 𝜆𝑠 (𝑊/𝑚 𝐾) conductivité thermique du sol, 𝜌𝑠 (𝑘𝑔/𝑚3) la masse volumique du sol et 𝐶𝑝𝑠(𝑘𝐽/𝑘𝑔 𝐾) chaleur spécifique.
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L'amplitude annuelle de la température de la surface du sol (𝐴𝑠) est déterminée en calculant la différence entre la température ambiante moyenne maximale et la température ambiante moyenne minimale. Suite à cela, l'amplitude annuelle de la température de la surface du sol est de 30°C. En utilisant l'Eqt. IV.4, l'amplitude de température du sol (𝐴𝑧) à 2 m de profondeur est de 14,6°C.
Tableau IV.4 : Paramètres du sol
Paramètres Valeurs Unités
𝑻𝒎 23,8 [°C]
𝑨𝒔 30 [°C]
𝒕𝟎 419 [h]
En substituant les paramètres du modèle (𝑇𝑚, 𝐴𝑧, 𝑡0 et 𝜕𝑠) dans l’équation du sol (Eqt. III.33), la variation annuelle de la température du sol pour la région d’Oran, Algérie est la suivante :
𝑇 (𝑍, 𝑡) = 23,8 − 30 𝑒𝑥𝑝 (−0,364 𝑍) 𝑐𝑜𝑠 [ 2𝜋
8760(𝑡 − 419 − 508,24 𝑍)] (IV.6) La Figure VI-18 présente la température du sol à différentes profondeurs. Il a été observé que l'amplitude de la température du sous-sol diminue avec la profondeur. L'évolution de la température du sous-sol est stable sur une profondeur de 10 m, ce qui est logique contrairement aux basses profondeurs qui sont très sensibles aux variations de températures externes.
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L’interface représentant le modèle de l’ECAS construit sous le logiciel TRNSYS est présentée dans la Figure IV-19. La Figure IV-20 compare les températures de l'air simulées et celles de l’expérimentale fournie par l'EAHE sur une période de 10 jours pendant les saisons d'hiver et d'été de 2013. Pour l’utilisation de chauffage, nous avons utilisé la période du 17 jusqu’au 27 Décembre 2013, et pour le refroidissement, nous avons utilisé la période du 25 Juillet jusqu’au 4 Août 2013.
Figure IV-19 : Diagramme de l’ECAS
Figure IV-20 : Comparaison entre les résultats expérimentaux et simulés de la température de l'air à la sortie de l'ECAS, période d’hiver du 17-27 Décembre 2013
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La validation montre que les résultats de simulation sont en accord avec les résultats expérimentaux, où l'écart entre eux tombe à 2,98%. Pendant la période chauffage du 17 au 27 Décembre (Figure IV-20), on observe que les températures de l'air à la sortie de l'ECAS varient entre 15,2°C et 19°C, les variations de température extérieure varient de 9°C à 23,5°C et les températures du sol à 2 m variait entre 22°C et 20°C.
Le système d’ECAS est perçu comme un moyen efficace d'amortir les variations de température de l'air extérieur. La différence entre les températures du sol à 2 m de profondeur et la température de l'air extérieur peut atteindre 12°C. L'air de sortie est donc considérablement chauffé, ce qui entraîne des gains allant jusqu'à 7,3°C pendant ces journées d'hiver.
Figure IV-21 : Comparaison entre les résultats expérimentaux et simulés de la température de l'air à la sortie de l'ECAS, période d'été du 25 Juillet au 4 Août 2013
Pendant la période de refroidissement du 25 juillet au 4 août (Figure IV-21), on a observé que la température de l'air extérieur variait entre 24°C et 39,9°C, alors que les températures de l'air à la sortie de l'ECAS variaient entre 28,2°Cet 32,2°C, et la température du sol à 2 m variait entre 29,3°C et 29,9°C. Ces mesures montrent que l'air de sortie est considérablement refroidi, ce qui entraîne une baisse de température allant jusqu'à 9,1°C.
Pendant les heures de soir, la température extérieure tombe en dessous de la température du sol en provoquant un chauffage au lieu d'un refroidissement, ce qui diminue les performances de l'ECAS. Pendant ces heures, le gain de chaleur généré par le système peut atteindre 5°C. Pour cette raison, un système de contrôle est fortement recommandé.
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IV.5 Conclusion
Le monitoring mis en place pour l’étude du plancher solaire direct (PSD) et de l’echangeur de chaleur air-sol (ECAS), a été présenté dans ce chapitre. Une description de la cellule d’essai du point de vue construction et instrumentation ainsi que le dimentionnement des deux sytèmes a été détaillée. De plus, l’approche de validation des modèles avec les données expérimentales a été présentée. La validation montre donc que les résultats de simulation sont en accord avec les résultats expérimentaux, où le pourcentage d'écart (ER) entre eux tombe à 2,98% pendant la période de fonctionnement de l’ECAS, tandis que le pourcentage d'écart (ER) entre les résultats expérimentaux et simulés du PSD est de 1,93%.
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