Modèle YAVARINASAB ET MIRKHALILI (2013)

Pour obtenir un modèle optimal de tour à vent destiné au secteur résidentiel dans les régions à climat chaud et sec, une enquête a été réalisée par YAVARINASAB et MIRKHALILI (2013) sur 50 cas de tours à vent dans la province de Yazd. Ces derniers ont analysé et examiné la relation entre l’espace (hall) doté de tour à vent et les dimensions de cette dernière (longueur, largeur et hauteur). La relation entre les paramètres associés a été déterminée.

Relation entre surfaces espace (hall) et surface tour à vent

Figure 2.28: Charte de la relation entre surface hall et surface tour à vent (m) Source: Yavarinasab et Mirkhalili (2013)

Relation entre longueur et largeur tour à vent

Figure 2.29: Charte de la relation entre longueur et largeur tour à vent (m) Source: Yavarinasab et Mirkhalili (2013)

Relation entre longueur et largeur tour à vent

Figure 2.30: Charte de la relation entre hauteur tête et hauteur totale Tour à vent (m) Source: Yavarinasab et Mirkhalili, (2013)

Les graphes obtenus ont prouvé la présence d’une relation linéaire significative entre les variables indépendantes hauteur totale, longueur et largeur tour à vent et la variable dépendante présentée par la droite de régression. Les résultats de l’enquête ont été traités par les tables des ANOVA où le coefficient de corrélation a été évalué de (867/0) et considéré comme valeur forte. L’équation 2.29 de la droite de régression a été déterminée et présentée comme suit :

A 1.635(0.833B)(1.355 C)(0.867D) (équation 2.29) Tels que:

A: hauteur totale (m), B: Longueur de la T à vent (m); C: Largeur de la T à V (m); D: hauteur de la tour à vent au-dessus du plancher (m).

Les résultats de cette étude aident les chercheurs à mieux concevoir la tour à vent avec toutes

2.4.5 Selon le mode d’assemblage (espacement et disposition) 2.4.5.1 Modèle JOHN KAISER et al. (2014)

L’effet de la disposition de plusieurs tours à vent commerciales sur les taux d’approvisionnement d’air (performance de ventilation) a été étudié en 2014 par JOHN KAISER et ses collaborateurs en analysant deux situations courantes d’installation de ce système sur un bâtiment. Ces situations sont en termes d’espacement (distance entre tours) et de mode d’arrangement (en parallèle ou en quinconce) (figure 2.31). L’espacement et la disposition optimaux pour maintenir les performances souhaitées des tours à vent commerciales ont été déterminés dans cette étude.

a b

Figure 2.31: Tour à vent montée sur le toit (a) disposition en parallèle (b) disposition en quinconce Source: John Kaiser et al. (2014)


Les tours à vent commerciales, sont une technologie de ventilation passive qui, repose sur les mêmes principes de la conception traditionnelle de Badgir mais, elles sont plus adaptées à un usage contemporain. Leur utilisation est maintenant très répandue, en particulier dans les bâtiments très fréquentés tels que les écoles et les immeubles administratifs (JONES &

KIRBY, 2010). En remplaçant l’air intérieur par de l’air extérieur frais, la tour commerciale permet de contrôler l’accumulation de polluants et de prévenir le syndrome des bâtiments malsains (DIMITROULOPOULOU, 2012).

Dans cette étude, une analyse numérique a été réalisée pour déterminer l’effet de l’espacement et la disposition de plusieurs tours à vent multidirectionnelles commerciales aussi bien sur les taux de ventilation que sur la distribution de débit d’air intérieur dans les espaces occupés. Les simulations CFD (Computer Fluid Dynamic) ont été réalisées avec le logiciel commercial ANSYS Fluent 14. Les équations de Navier Stokes qui les régissent ont été discrétisées par la méthode du volume fini et les champs d’écoulement. Elles sont

turbulence k-ε standard. Le schéma de second ordre a été adopté pour le transfert de chaleur par convection. La technique de discrétisation «semi-implicite» liée à l’équation de l’algorithme pression simple (SIMPLER: Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation), a été utilisée pour l’analyse numérique en régime permanent. Toutes les simulations ont été effectuées dans des conditions iso-thermiques où uniquement la ventilation induite par le vent est prise en compte. La convergence a été vérifiée et les itérations ont été arrêtées lorsque tous les résidus ne montrent plus aucune réduction avec le nombre croissant d’itérations. Les équations (2.30, 2.31, 2.32, 2.33 et 2.34) qui régissent l’écoulement de l’air sont détaillées ci-dessous (JOHN KAISER et al., 2014):

Conservation de la masse: Où p est la pression (en Pascal), g est le vecteur de l’accélération gravitationnelle (en m/s²), µ est la viscosité dynamique moléculaire en Pascal seconde (Pa.s) et

𝜏

t est la divergence des contraintes de turbulence qui explique les contraintes auxiliaires en fonction des fluctuations de la vitesse.

Où Ji est le flux de diffusion des espèces 𝑖 (mol/m².s), Ri est le taux net de production des espèces i par des réactions chimiques (kg/m³.s), et Si est le taux de création par addition à partir de la phase dispersée plus les sources définies par l’utilisateur.

Le modèle de CAO (conception assistée par ordinateur) est importé dans le modélisateur de conception ANSYS pour générer un modèle de calcul. Une représentation du domaine des flux de la géométrie de la tour à vent prototype d’étude, de l’enceinte macroclimat (pour simuler la vitesse du vent externe) et les 6 configurations de mode d’assemblage tours à vent (3 agencées en parallèle et 3 en quinconce), sont illustrées dans la figure 2.32.

(a) Domaine de calcul (b) Disposition des tours à vent et dimensions de l’espacement.

Figure 2.32: Domaine de calcul et configurations mode d’assemblage tours à vent Source: John Kaiser et al. (2014)

Dans la première partie de l’étude, deux tours à vent de dimensions de 1,20m x 120m x 1,20m chacune et d’une section transversale interne de 1m², sont intégrées à une salle d’essai (microclimat) dont la hauteur, la largeur et la longueur sont de 3m, 3,5m et 10m respectivement, ce qui représente une petite salle de classe de 30 personnes. Le volume interne de la tour à vent est divisé en quatre quadrants croisés égaux qui permettent l’alimentation en air, quel que soit l’angle du vent. Chaque tour est modélisée avec sept louvers (lamelles) inclinés à 45° (figure 2.33). La tour à vent est supposée être alimentée à 100% (complètement ouverte), aucun amortisseur de contrôle de volume d’air n’est ajouté au modèle.

La deuxième partie de l’étude est consacrée à examiner l’effet des six configurations de mode d’assemblage sur le taux de concentration de CO2 à l’intérieur de la salle et la possibilité de réintroduire les polluants de l’air intérieur par seconde dans la salle ventilée via la 2^e tour orientée sous le vent. Dans cette partie d’étude, la salle d’essai (salle de classe) est divisée en deux pièces de section égale de 3,5 x 5,0m² chacune, l’une occupée par 15 personnes réparties

de manière uniforme dans la salle et l’autre laissée inoccupée. Sur la base des travaux de (Bulińska et al., 2014), les données d’entrée (tableau 3.2) sont déterminées et appliquées par la suite pour analyser le taux de concentration en CO2 à l’intérieur. Les conditions aux limites résumées dans les tableaux 2.3 et 2.4, sont maintenues tout au long du processus de simulation.

Dimensions du corps humain 1,80 x 0,30 x 0,17 m3

Nombre d'occupants 15

Dimension bouche 0,13 x 0,1 m2

Air expiré 6 L/min (0,77 m/s)

Concentration de CO2 d’entrée 382 ppm Concentration de CO2 dans l’air expiré 36 000 ppm

Tableau 2.3: Données d’entrées appliquées pour l'analyse de la concentration en CO2 Source: John Kaiser et al. (2014)

Hauteur de rugosité KS (10-3 m) Macro-micro climat, Murs: 0.001

Constante de rugosité CKS Tous les murs: 0.5

Tableau 2.4: Conditions aux limites du modèle CFD Source: John Kaiser et al. (2014)

La validation de la méthode:

La validation expérimentale du prototype de référence (tour à vent isolée) réalisée à une échelle de 1/10 est effectuée via des essais expérimentaux en soufflerie subsonique. La soufflerie à écoulement uniforme est de hauteur, largeur et longueur de 0,5m, 0,5m et 1m respectivement. Le prototype de tour à vent est monté au sommet d’une salle d’essai de 0,5 x 0,5 x 0,3 m³ représentant l’espace intérieur (salle de classe).

Afin de mesurer la vitesse intérieure aux mêmes points que dans le modèle CFD, plusieurs trous ont été percés dans les murs de la salle de test. Les parois du modèle salle sont constituées de feuilles de perspex (un polymère thermoplastique transparent) pour permettre le test de visualisation au moyen de la fumée et pouvoir positionner avec précision les capteurs anémométriques à fil chaud le long des points de mesures. La figure 2.33 résume la méthodologie numérique et expérimentale utilisée dans cette étude.

Figure 2.33: Résume de la méthodologie numérique et expérimentale adoptée dans cette étude Source: John Kaiser et al. (2014)

Le test de visualisation du débit d’air est effectué à l’aide d’un générateur de fumée AFA-10 afin d’analyser la configuration du flux d’air à l’intérieur de la salle de test et d’identifier les quadrants d’alimentation et d’extraction avant la prise des mesures. Le modèle de tour est exposé à une vitesse de l’air libre de 3m/s pour obtenir une fumée suffisamment concentrée.

Une caméra à haute vitesse est utilisée pour capturer le parcours d’écoulement visualisé par la fumée.

Validation du prototype de référence

Pour une vitesse de vent de 3m/s, la figure (2.34a) montre que la vitesse maximale est atteinte dans le quadrant face au vent avec une valeur maximale de 2,8m/s. La figure (2.34b) indique une bonne concordance entre les résultats expérimentaux et les résultats numériques de CFD avec une erreur inférieure à 10% pour tous les points à l’exception du point 6 situé au niveau du quadrant d’échappement air. L’erreur moyenne entre les points est de 8,6%, ce qui confirme la validation de l’étude de modélisation CFD.

a/ Contours de la vitesse de l’air dans le conduit TàV b/ Comparaison des résultats de CFD et expérimentaux Figure 2.34: Validation du prototype de référence vis-à-vis la vitesse de l’air au niveau du conduit pour une

vitesse de vent de 3m/s

La visualisation expérimentale de l’écoulement d’air à l’intérieur de la salle au moyen de la tour à vent ainsi que la combinaison des courbes de flux prédites par CFD et la fumée réelle, confirment la concordance entre les deux techniques de recherche exploitées (figure 2.35).

Le flux d’air passe autour de la tour à vent où une quantité de celle-ci pénètre dans le canal par les louvers. La quantité de fumée la plus visible se déplace au point d’entrée (en dessous de la tour à vent), indiquant une vitesse plus élevée de l’air dans cette partie de la salle. Ceci est conforme aux résultats de la figure 2.35b. Le flux d’air est dirigé vers la surface inférieure de la pièce et se propage dans toutes les directions. Lorsque le flux d’air atteint la surface inférieure, l’air ralentit et traverse les parois latérales.

(a) Visualisation expérimentale de l’écoulement à l’intérieur de la salle d’essai via la tour de vent (b) Combinaison des courbes de flux prédites par CFD et de la fumée réelle

Figure 2.35: Validation du prototype de référence vis-à-vis l’écoulement d´air à l’intérieur de la salle pour une vitesse de vent de 3m/s

Source: John Kaiser et al. (2014)

Résultats et discussion:

L’analyse aérodynamique des tours à vent multiples a montré que l’agencement en parallèle des tours n’est pas efficace pour ventiler une pièce, quels que soient leurs espacements (3, 4 ou 5m).

L’étude de la distribution d’air à l’intérieur a montré que:

- La disposition en parallèle (figure 2.36a) crée une zone de recirculation entre les deux tours à vent, ce qui provoque la réduction du flux d’air à travers l’ouverture orientée face au vent de la 2^e tour sous le vent. Il a été également observé que l’air est aspiré par le quadrant opposé sous vent et fonctionne efficacement en sens inverse (l’air entrant à partir de l’ouverture sous le vent).

Flux d´air

Approvisionnement Échappement

Court-circuit

- La disposition en quinconce (figure 2.36b), ne provoque pas un effet de recirculation et d’aspiration entre les deux tours, ce qui signifie que ces dernières ne sont pas obstruées. Les deux tours à vent présentent des profils très similaires, une colonne d’air rapide descendant du quadrant d’entrée créant une circulation autour de l’espace modélisé et s’épuisant du quadrant opposé. L’air qui s’échappe de la tour sous le vent dans la disposition en quinconce se déplace à une vitesse supérieure à celle de l’air sortant de la tour à vent. Ceci est dû à la recirculation plus importante du côté de l’échappement de la tour.

Figure 2.36: Effet de la disposition des tours à vent (en parallèle ou décalée) sur la distribution de l’air à l’intérieur

Source: John Kaiser et al. (2014)

Taux de ventilation

La simulation des différentes directions du vent a montré que lorsque l’angle augmente de 90°, le modèle d’écoulement pour la disposition en parallèle devient plus homogène, ce qui augmente l’écoulement à travers la tour sous le vent (figure 2.37). La direction du vent est un élément essentiel de la conception de plusieurs systèmes de tours à vent quels que soient leurs espacements et leurs dispositions.

Figure 2.37: Effet de la variation de l’angle du vent sur les débits d’approvisionnement dans les dispositions étudiées.

Source: John Kaiser et al. (2014)

Les taux d’alimentation en ventilation des tours pour tous les cas de configurations ont été comparés aux règlementations de la construction. Les forces de pression motrices pour les cas 1 à 3 (disposition en parallèle) n’étaient pas suffisantes pour fournir des débits régulés d’approvisionnement de 10 L/s par occupant pour une vitesse de vent externe de 3 m/s. Alors que les taux de ventilation d’alimentation pour les cas 4 à 6 (disposition en quinconce) étaient tous supérieurs aux niveaux requis de la règlementation du bâtiment.

La concentration en CO2

La disposition en quinconce minimise efficacement la réintroduction des polluants par rapport à celle en parallèle (figure 2.38) et (figure 2.39).

Figure 2.39: Effet de la disposition en quinconce sur le taux de concentration en CO2 à l’intérieur Source: John Kaiser et al. (2014)

Synthèse

Le résumé des résultats obtenus est schématisé dans la figure 2.40 ci-dessous.

 Les tours à vent parallèles orientées dans le sens du vent ne sont pas efficaces pour ventiler une pièce, quels que soient leurs espacements (3, 4 ou 5m).

 Les forces motrices des tours à vent parallèles dans la direction du vent ne sont pas suffisantes pour fournir des taux d’approvisionnement en air réglementaires.

 Par extrapolation, un espacement de 13m serait nécessaire dans le cas d’un agencement en parallèle afin d’assurer les débits règlementaires requis en taux de ventilation intérieure et des concentrations en dioxyde de carbone par occupant qui est inférieur ou égale à 10 L/s par personne (BUILDING REGULATIONS, 2010). Cet espacement permet d’éviter l’interférence entre la tour en amont et celle en aval (JOHN KAISER et al., 2013) et (SEPPÄNEN et al., 1999).

 Une plus grande propagation et circulation d’air à l’intérieur de la salle est obtenue dans le cas de tours à vent décalées.

Disposition en parallèle disposition décalée (en quinconce) Figure 2.40: Résumé graphique des résultats de la recherche

Source: John Kaiser et al, (2014)

Dans le document ÉVALUATION QUALITATIVE DE L´IMPACT DE LA TOUR À VENT POUR UNE VENTILATION NATURELLE ET UN RAFRAICHISSEMENT PASSIF DANS LES RÉGIONS CHAUDES ARIDES ET SEMI ARIDES CAS DES WILAYAS OUED SOUF ET BISKRA (Page 121-132)