Vitesse d’air et écoulement

Une analyse locale des valeurs de vitesse est entreprise. Les valeurs locales de température d’air, de

température de globe, de vitesse d’air, et de concentration en CO

2

mesurées dans le plan médian

pour les cas C0+ et C2+ sont présentées sur la Figure IV.5. L’ensemble des distributions locales

des différentes variables mesurées pour tous les essais sont disponibles en Annexe B.

Il apparaît que la vitesse d’air est nulle en zone d’occupation pour le cas C0+, sauf au niveau des

chevilles. Les résultats expérimentaux seuls ne permettent pas d’expliquer les phénomènes observés

dans la mesure où le nombre de stations de mesures est réduit, et les mesures limitées à la zone

d’occupation. Ainsi, c’est l’observation de l’écoulement prédit par les simulations CFD qui vise à

expliquer ce phénomène. Dans ce but, les vecteurs de vitesse colorés en vitesse d’air corrigée dans

le plan X = 1,5m sont présentés sur la Figure IV.6 pour les cas C0+, C2- et C2+.

Pour le cas C0+, le jet adhère au plafond grâce à l’effet Coănda, aux forces d’inertie, et à la faible

densité de l’air soufflé, et atteint ainsi le mur opposé. Ce cas met ainsi en évidence la problématique

du soufflage d’air chaud : il convient d’assurer malgré ce phénomène un mélange efficace entre l’air

soufflé et l’air ambiant, et éviter un court-circuit de l’air neuf. Le débit relativement important

permet ici d’éviter ces deux problèmes. En effet, une fois le mur opposé atteint, l’air neuf ne sort

pas directement de la pièce. Au contraire, un écoulement de retour se forme relativement haut dans

la pièce, et l’air est ré-entraîné dans le jet (voir  sur la Figure IV.6). Cela explique les valeurs de

vitesse d’air quasiment nulles qui ont été mesurées dans la zone d’occupation, et la bonne valeur

d’efficacité de température obtenue. Les valeurs de vitesse d’air généralement plus élevées au niveau

des chevilles s’expliquent alors par l’écoulement de retour.

En revanche, pour l’essai C2+, qui présente le même débit d’air soufflé que l’essai C0+, la vitesse

d’air est plus élevée dans l’ensemble de la zone d’occupation que pour le cas C0+. Là encore,

l’observation des lignes de courant permet de fournir une explication aux valeurs obtenues. En

effet, on observe clairement l’influence des panaches thermiques se développant au niveau des

occupants sur l’écoulement. Les valeurs plus élevées de vitesse d’air dans la zone d’occupation sont

ainsi dues à l’entraînement de l’air accru dans les panaches thermiques issus des mannequins. Les

lignes de courant colorées en température pour le cas C2+ (Figure IV.7) permettent également de

rendre compte de ce phénomène, et d’observer l’écoulement dans son ensemble dans la cellule. Le

débit élevé du cas C2+ permet ainsi au jet d’atteindre le mur opposé (voir  sur la Figure IV.7 et

la Figure IV.6). On y voit également que les panaches thermiques issus des occupants constituent

un obstacle au jet, ce qui est mis en évidence par la présence de cellules de recirculation proche du

plafond (). Le phénomène d’entraînement de l’air ambiant par les panaches thermiques est

également apparent ().Il faut également noter que la température de soufflage de l’essai C0+ est

136

de 31,9°C alors qu’elle n’est que de 21,3°C pour le cas C2+, ce qui explique que l’épanouissement

vertical du jet est moindre pour le cas C0+ que pour le cas C2+. Ceci met en évidence que l’écart

de température entre le soufflage et l’ambiance joue également un rôle important sur l’écoulement

dans la pièce.

Pour le cas C2-, présentant les mêmes conditions d’occupation mais un débit d’air neuf plus faible

que le cas C2+, on observe que le jet adhère au plafond en aval du soufflage, mais qu’il n’atteint

pas le mur opposé, du fait des obstacles que constituent les panaches thermiques (). Cela

s’explique également par le débit d’air réduit du cas C2-.

L’écoulement dans la cellule, et le confort qui en résulte dans la zone d’occupation dépendent donc

à la fois des charges thermiques internes, du débit d’air soufflé et de l’écart de température au

soufflage. Un nombre adimensionnel qui fait intervenir ces deux derniers paramètres

simultanément est le nombre d’Archimède. Une analyse en détails de l’impact de ces différents

paramètres sur l’écoulement est présenté dans la partie IV.3.dans le cadre d’études paramétriques,

où différentes valeurs du nombre d’Archimède au soufflage et différentes configurations de charges

internes sont considérées.

Figure IV.5. Valeurs locales de température d’air, de température de globe, de vitesse d’air et de

concentration en CO

2

dans le plan médian (X = 1,54 m) pour les essais C0+ et C2+.

137

Figure IV.6. Vecteurs de vitesse d’air dans le plan X = 1,5m. A) Essai C0+, B) Essai C2-, C)

Essai C2+

1

2

2

2 2

0

138

Figure IV.7. Lignes de courant issues du diffuseur colorées en température pour le cas C2+

IV.1.3 Efficacité de ventilation

Il s’agit maintenant d’évaluer si le système étudié permet d’obtenir une bonne efficacité de

ventilation pour l’ensemble des cas étudiés, malgré les variations assez importante de l’écoulement

observées précédemment.

Les valeurs expérimentales de l’efficacité d’extraction du polluant et de l’efficacité de température

pour les différents essais réalisés de soufflage d’air chaud sont présentées sur la Figure IV.8.

On observe que l’efficacité d’extraction du polluant ε

C

est proche de 1 pour tous les cas, signe d’une

ventilation efficace et d’un bon mélange. Au contraire, l’efficacité de température ε

T

varie en

fonction de l’occupation et du débit, passant ainsi de 1,06 et 1,08 pour C0+ et C1- à 1,73 pour C2-

et à 2,28 pour C2+. Les valeurs élevées de l’efficacité de température obtenue pour les essais à deux

occupants s’expliquent par le fait que 98% de la puissance chaude est apportée par ces deux

occupants directement dans la zone d’occupation, provoquant un chauffage de l’ambiance plus

efficace que lorsque la puissance est apportée par l’air soufflé. Cela met en évidence l’impact

significatif des occupants sur le confort thermique dans les BBC, qui est bien plus important que

dans les bâtiments conventionnels où les charges thermiques internes couvrent une part réduite

des besoins en chauffage. Les écarts constatés pour l’efficacité de température n’apparaissent pas

pour l’efficacité d’extraction du polluant. En effet, bien que les débits d’air neuf et de CO

2

varient

d’un essai à un autre, la position des sources de polluant et d’air neuf dans la pièce ne changent

pas : l’air neuf est apporté par le soufflage, et l’air pollué est directement injecté dans la zone

d’occupation. Le processus de dilution du polluant est donc le même pour les différents essais, ce

qui explique les valeurs proches d’efficacité d’extraction du polluant obtenues. Le diffuseur d’air

retenu et son positionnement proche du plafond permettent donc d’obtenir un mélange efficace

de l’air soufflé avec l’air ambiant, et en conséquence une distribution homogène de la température

139

et de la concentration de CO

2

dans la zone d’occupation pour l’ensemble des conditions étudiées.

Figure IV.8. Efficacité d’extraction du polluant et efficacité de température pour les essais de soufflage

d’air chaud

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 142-146)