Mesure et analyse d'un système de rafraîchissement passif à Sion (Valais)

Report

Reference

Mesure et analyse d'un système de rafraîchissement passif à Sion (Valais)

MELDEM, R., et al.

Abstract

Construit durant la relance économique de la fin du 19° siècle, le bâtiment Aymon fut aligné sur l'emplacement de la muraille ouest des remparts de la ville démolis un demi siècle auparavant. A la même époque l'évéché et le palais du gouvernement constituèrent le front de l'ancienne ville face à la place historique de la Planta. ; La famille Aymon utilisa ce bâtiment jusqu'aux années 1960, époque à laquelle l'Etat du Valais devint propriétaire.

Auparavant, le bâtiment s'agrandit vers le sud d'une annexe commerciale. Le DIP (Département de l'Instruction Publique) occupe les locaux alors vétustés et peu confortables.

En 1983, les premières études de rénovation débutèrent. Les travaux durèrent 2 ans : de 1988 à 1989. Le bâtiment abrite maintenant le DIP et 2 magasins sur la rue de Lausanne.

Durant les études, il fut vite décider d'aménager des bureaux sous les combles, ce qui souleva immédiatement le problème du confort estival étant donné les températures trop élevées facilement prévisibles sous des fenêtres de toiture et sous un toit très exposé au sud et à l'ouest. Par [...]

MELDEM, R., et al . Mesure et analyse d'un système de rafraîchissement passif à Sion (Valais) . Genève : 1991

Available at:

http://archive-ouverte.unige.ch/unige:79687

Disclaimer: layout of this document may differ from the published version.

1 / 1

DEPARTEMENT DES TRAVAUX PUBLICS DU CANTON DU VALAIS BAUDEPARTEMENT

DES KANTONS WALLIS

Service des bâtiments - Hochbauamt

CENTRE UNIVERSITAIRE D'ETUDE DES PROBLï

MESURE ET ANALYSE D'UN

SYSTÈME DE RAFRAÎCHISSEMENT PASSIF A SION (VALAIS)

R. Meldern, B. Lachal, W. Weber, C. Ançay, O. Guisan

UNIVERSITE DE GENEVE

SERIE DE PUBLICATIONS DU CTJEPE N°46

MESURE ET ANALYSE D'UN SYSTEME DE RAFRAÎCHISSEMENT PASSIF

A SION (VALAIS)

R. Meldern¹, B. Lachal², W . W e b e r², C. A n ç a y¹, O. Guisan²

Juillet 1 9 9 1

Addresses : 1) Departement des Travaux Publiques, Bureau des bâtiments, 1 9 5 0 SION

2) CUEPE, 4 chemin de Conches, CP 8 1 , 1231 CONCHES

Table des matieres

Remerciements

1 Introduction 1 2 Description de l'installation 2

2.1 Les caves 2 2 . 2 Le réseau de distribution 2

2.3 Les bureaux 2 3.Description de la mesure 6

3.1 Historique de la mesure 6 3 . 2 Système de mesure 6 3.3 Mesures particulières 7

3.3.1 Mesures de débits au niveau du ventilateur 7 3 . 3 . 2 Mesures de débits au niveau du bureau 9

3 . 3 . 3 Mesures sur le ventilateur 11 3 . 3 . 4 Mesures de consommation d'électricité dans le bureau 4 0 3 12

4. Traitement des données et résultats bruts 13 4.1 Mise en forme des résultats 13

4 . 2 Résultats bruts 13 5. Analyse des résultats et description de l'approche simplifiée 15

5.1 Le bureau 15 5.1.1 Description et hypothèses 15

5.1.2 Détermination des paramètres 16 5.1.3 Etablissement du diagramme H - M 17 5.1.4 Détermination des gains solaires par le toit 18

5.1.4.1 Détermination du coefficient K du toit 19 5 . 1 . 4 . 2 Détermination des gains solaires par le toit 2 0

5 . 1 . 4 . 3 Discussion des paramètres 21

5.1.5 Gains par les fenêtres 2 2 5.1.5.1 Gains par la fenêtre de toiture 2 2

5 . 1 . 5 . 2 Gain par le lanterneau 2 2 5 . 1 . 5 . 3 Gains par la façade 2 2 5.1.6 Influence des divers composants sur les gains solaires 2 2

5 . 1 . 7 Description de la méthode dynamique simplifiée et établissement du 2 3 modèle

5.2 Les caves 25 5.2.1 Evolution de la température de la masse 25

5.2.2 Etablissement d'un modèle pour la cave 2 7

5.3 Le réseau de distribution 29 5.3.1 Détermination de la répartition des pertes 2 9

5 . 3 . 2 Présentation et discussion des paramètres 31

5.4 Conclusions 35 6.Discussion du système Aymon 3 7

6.1 Simulation 3 7 6 . 2 Amélioration technique 3 8

6.2.1 Stock de froid 3 8 6 . 2 . 2 Réseau de distribution 3 8

6 . 2 . 3 Bureau 4 0 6.3 Efficacité du système 4 0 6.4 Consommation énergétique et comparaison avec une climatisation 41

6.5 Confort et bien être 4 2

6.5.1 Radon et autres pollutions

6 . 5 . 2 Températive opérative (ressentie par l'occupant) Conclusion

remerciements

Depuis de nombreuses années, le Service des bâtiments, du canton du Valais disposait d'une salle de conférence aménagée dans les combles de son petit bâtiment. Durant la bonne saison, cette salle devenait inutilisable, vu la température qui y régnait. A la verticale de cette salle mais beaucoup plus bas, deux niveaux de caves bien enterrées conservaient une agréable fraîcheur durant tout l'été. La pose d'un canal de ventilation verticale et d'un petit ventilateur permit de mettre en contact ces deux espaces et de faire profiter les combles des bienfaits de la cave. Lorsqu'il s'est agit, en 1988, de restaurer et de rénover le bâtiment administratif abritant le Département de l'instruction publique, il a été nécessaire, pour des raisons d'espace, d'aménager les combles pour y mettre des "fonctionnaires". Les caves généreuses de ce bâtiment et le succès de la solution expérimentée au Service des bâtiments, nous incitèrent à mettre en place un système identique. Le résultat semblait intéressant mais aucune étude sérieuse n'avait permis de quantifier et de préciser les données physiques de ce transfert de fraîcheur. Contacté par le Service des bâtiments, le Centre universitaire d'étude du problème de l'énergie de l'université de Genève accepta, avec enthousiasme, le projet d'étude d'un tel système.

Avec la compréhension et l'aide financière du Département de l'énergie de l'Etat du Valais, un poste d'assistant a pu être donné à M. René MELDEM. Ce dernier a reçu la mission de mesurer, de vérifier et de modéliser le système mis en place. Il a fait cette étude avec le sérieux et la précision que les lecteurs de cette publication pourront constater par eux-mêmes.

Cette étude a été faite sous la direction de Messieurs

LACHAL, WEBER et GUISAN du CUEPE et avec l'étroite

collaboration de H. Camille ANCAY, responsable de

l'énergie au Service des bâtiments. Qu'ils soient ici

remerciés. Les utilisateurs du "bâtiment-cobaye" ont

accepté les dérangements occasionnés par cette étude. Il

faut, donc, tout aussi particulièrement, remercier

M. le Chef du Département de l'instruction publique le

Conseiller d'Etat Bernard COMBY, le Chef du Service de

la formation professionnelle M. Lévy DUBUIS ainsi que le

responsable des relations Valais-université, M. Gilbert

FOURNIER.

Nous souhaitons vivement que cette expérience, simple et exemplaire, d'économie d'énergie puisse, grâce à cette étude, être utile dans de nombreux autres cas.

Ainsi les vraies questions à poser dans le débat énergétique d'aujourd'hui - où vont ces KWh produits? et comment freiner l'augmentation des puissances raccordées? - trouveront un élément de réponse appréciable.

Sion, le 21 mai 1991

Bernard ATTINGER

Chapitre 1. Introduction

Construit durant la relance économique de la fin du 1 9 ° siècle, le bâtiment Aymon fut aligné sur l'emplacement de la muraille ouest des remparts de la ville démolis un demi siècle auparavant. A la même époque l'évéché et le palais du gouvernement constituèrent le

front de l'ancienne ville face à la place historique de la Planta. ; La famille Aymon utilisa ce bâtiment jusqu'aux années 1960, époque à laquelle l'Etat

du Valais devint propriétaire. Auparavant, le bâtiment s'agrandit vers le sud d'une annexe commerciale. Le DIP (Département de l'Instruction Publique) occupe les locaux alors vétustés et peu confortables. En 1983, les premières études de rénovation débutèrent. Les travaux durèrent 2 ans : de 1988 à 1989. Le bâtiment abrite maintenant le DIP et 2 magasins sur la rue de Lausanne.

Durant les études, il fut vite décider d'aménager des bureaux sous les combles, ce qui souleva immédiatement le problème du confort estival étant donné les températures trop élevées facilement prévisibles sous des fenêtres de toiture et sous un toit très exposé au sud et à l'ouest. Par ailleurs, ce bâtiment possède des caves profondes et fraîches durant l'été, sans odeur, sans problème de radon et servant au stockage d'archives.

L'idée de prélever cet air frais des sous sols et de l'insuffler dans les locaux surchauffés des combles fut retenue. Un système analogue conçu pour la salle des combles du Service des Bâtiments non loin de là donnait déjà depuis quelques années des résultats probants.

Simple car constitué d'un ventilateur à la cave, un tube traversant les étages et des gaines de distribution dans les bureaux, le système de climatisation passive (car faisant appel essentiellement à des phénomènes naturels) fut monté sans histoire.

Le dimensionnement des gaines et du ventilateur reposait sur des hypothèses grossières : limites d'encombrement disponibles ou vitesse maximale de l'air.

Un tel système, s'il fonctionne, et rapporté à un parc important de bâtiments, permet de freiner efficacement l'accroissement de puissance électrique demandée pour la climatisation des bureaux en été.

Si pour le bâtiment Aymon nous pouvions nous contenter d'adapter ce système tant bien que mal dans ses vieux murs, il n'en irait pas de même pour des bâtiments à construire et nécessitant un refroidissement des étages supérieurs.

Pour que de tels systèmes fonctionnent correctement, il est nécessaire de les dimensionner dès le départ pour la prestation qu'ils ont à effectuer. Il est donc indispensable de connaître ce qui se passe lors du fonctionnement d'un système déjà construit et essayer de comprendre les divers phénomènes afin d'établir les règles de dimensionnement à respecter lors de futurs systèmes à construire.

A cette fin, le contact entre le Service des Bâtiments de l'Etat du Valais et le CUEPE de l'Université de Genève s'établit. Ce rapport est le fruit de cette collaboration.

1

Chapître 2. Description de l'installation .

Résumé .

Ce chapitre présente l'installation mesurée ainsi que les différents éléments jouant un rôle dans la compréhension du système. Nous avons décomposé l'installation en trois parties principales faisant chacune l'objet d'une étude détaillée. Ces trois zones sont : la cave (stock de froid), le réseau de distribution et l'étage de combles à refroidir (figure 2.1).

2.1 Les caves .

L'air envoyé dans les bureaux est extrait de deux caves, l'une servant d'archives ("compactus") l'autre jouant le rôle de dépôt ("ancienne cuisine"). Cet air pénètre dans la cave par des soupiraux et, au contact des murs, se refroidit naturellement. Il passe ensuite dans le couloir, à travers des grilles de reprise situées au bas des portes.

Les caves sont à voûte et ont un volume approximatif de 3 0 0 m3 pour les archives et 2 5 0 m3 pour le dépôt. La température ne dépasse jamais les 2 0 ° C en été.

2 . 2 Le réseau de distribution .

L'air froid issu des caves est aspiré par un ventilateur se situant au milieu du couloir puis puisé dans les bureaux quatre étages plus haut, après avoir transité dans un réseau de gaines de ventilation en tôle galvanisée non isolée. Le ventilateur est de type radial-axial, Helios KD 3 1 5 / 6 / 6 0 / 3 5 avec moteur dans la gaine.

2 . 3 Les bureaux .

Sur l'ensemble des bureaux de l'étage, représenté à la figure 2.2, nous avons choisi d'en mesurer deux dont un, le 4 0 3 , situé à l'ouest le plus complètement possible. Ce bureau a servi de référence pour tout le travail qui suit. Il est occupé en permanence par une comptable et épisodiquement par une secrétaire. On y touve un terminal branché en permanence ainsi que divers autres appareillages électriques comme des machines de bureau. Durant la période de mesure, l'éclairage artificiel, assuré par des tubes néon, n'a été utilisé que très rarement.

Les principales caractéristiques physiques du bureau 4 0 3 sont:

Volume du bureau 4 4 . 4 2 [m3]

Surface au sol du bureau 17.45 [m2]

Surface de fenêtre 1.46 [m2]

Surface de toit 18.64 [m2]

Surface de façade 4 . 5 4 [m2]

Surface de murs en contact avec d'autres bureaux 14.66 [m2]

Taux de renouvellement d'air 2 - 5 [1/h]

Nombre d'occupants 1-2 pers.

Orientation Ouest

2

Figure 2.1 schéma de principe du système de rafraîchissement.

3

A partir des données ci dessus, et connaissant la composition des différents éléments du bureau, il nous est possible de déterminer la capacité thermique du local. Nous l'avons fait de deux manières différentes. La première en utilisant le programme Spiel (2.1) qui nous donne une capacité du bureau de 2 0 0 0 [Wh/K]. La seconde d'après I' EMPA (2.2) qui nous donne une capacité de 1500 [Wh/K].

Bibliographie du chapitre 2

2.1 "Spiel", logiciel développé par C. Green, Ecotech Design LTD, 45 Harefield road, Sheffield S11 8NU, England.

2 . 2 "Schweizerenergie Fachbuch", T. Frank et R. Saggeldorff, 1989, p117, St. Gallen : Kènzler - Bachmann AG, 1991.

4

(O c CD N) M 3

£T 3 Q. <D (O 0)

n 0)

%>

7

iL

MTAIl (NI RlMtt MD VI*

'»•^•-'•l TC perfori»

Y;\»»>'»\ niGIPS 12S nm EI IC crtusc

I I E X I S T A N T

W / / / . Ì A N O U V E A U

r r r i j A otuoim

en

its coro (t«(Tisso«i » <on noi e»

tun »nei

1(1 ">OU»t»U< HUBS so«' (0M\ MUM

IIS 0UV(0>U«( \ to»l (OMIS ' •ni

*

ETAT DU VALAIS

DEPARTEMENT DE L'INSTRUCTION PUBLIQUE RENOVATION DE L'ANCIEN B A T I M E N T AYMON A SION

C O M B L E S , service dilin . formjlion prof.

u- 3

Il 7« 1 II «OD" I II OUtltT HUGUII .•(umili (CHlwfi

Chapitre 3 : Description de la mesure.

Résumé.

Ce chapitre traite de la campagne de mesure. Après avoir exposé l'historique de la mesure, et expliqué la composition du système de mesure, des résultats de mesures discrêtes y sont présentés.

3.1 Historique de la mesure.

Mois Semaine Jour Heure Description Juillet 9 0 du 0 9 au 15

du 16 au 22

du 23 au 29 Lundi 23 1 4 0 0 Rééquilibrage du réseau de distribution des combles

Août 9 0 du 3 0 au 05 Mardi 31 1 5 0 0 Obturation du soupirail de la cage d'escalier Vendredi 3 1 1 0 0 Obturation de l'ascenceur

du 0 6 au 12 Jeudi 9 1 0 0 0 Ouverture de l'ascenceur Vendredi 10 1 4 0 0 Coupure de la climatisation

du 13 au 19 Lundi 13 0 7 3 0 Remise en route de la climatisation

Mardi 14 1 1 0 0 Mise en place du réseau de gaines et connexion du dépôt 2 au sytème

Vendredi 17 0 8 3 0 Mise en place d'une sonde de température dans le dépôt 1 et obturation de la grille de transfert du dépôt 1

du 2 0 au 2 6 Mercredi 2 2 1 0 0 0 Remise en place de l'anémomètre à fil chaud Vendredi 25 1 7 0 0 Obturation de la grille de transfert du dépôt 2 du 2 7 au 0 2 Jeudi 3 0 Abaissement de la tension d'alimentation du

ventilateur à 160 [V]

Sept. 9 0 II du 0 3 au 0 9

! du 10 au 16 Mercredi 12 0 9 4 0 Abaissement de la tension d'alimentation du ventilateur à 100 [V]

I

La compréhension du système a nécessité plusieurs interventions et manipulations.

La mise en place du système mesure a débuté le 6 juin 1990, et la mesure proprement dite a commencé le 9 juillet 1990, après avoir réglé la plus grande partie des problèmes liés au système d'acquisition de mesure. Le tableau précédent décrit l'ensemble des manipulations effectuées sur l'installation.

3 . 2 Système de mesure.

Durant l'été 1 9 8 9 nous avons relevé 10 températures correspondant (selon la dénomination adoptée sur la table 3.1) à : T11, T12, T 1 3 , T 3 1 , T32, T 3 3 , TC1, TC2, TC3,

6

TC4. Nous avons utilisé des thermomètres enregistreurs HAMSTER, sans fils, auto-alimentés et d'une excellente précision ( + - 0.1 °C) après correction individuelle (0 à 1 °C).

La campagne 1 9 9 0 s'est déroulée de façon plus complexe et nous avons inclus des mesures concernant l'ensoleillement, le débit d'air, l'humidité extérieure, dans la cave et le bureau, les puissances électriques ainsi que les positions de portes, fenêtres et stores. La table 3.1 donne les détails.

Ces données sont relevées toutes les minutes, moyennées et stockées chaque heure grâce à un data logger CAMPBELL 21X.

Nous avons opté pour une campagne de complexité moyenne (29 points de mesure) : il s'agit d'un compromis entre la nécessité de données détaillées indispensables pour comprendre un système thermique complet et nouveau pour nous et notre désir de rester aussi simple que possible.

Les mesures suivantes n'ont pas été utilisées dans l'analyse présentée dans ce rapport :

1. positions des stores, porte et fenêtres : trop capricieux à mesurer, difficiles à intégrer dans les analyses ,

2. puissances électriques horaires : problème de délai de mise en place (vacances) et faible durée des mesures (2 mois et demi). Un appareil portable EMU a permis un bon contrôle des consommations électriques dans les bureaux par relevés manuels réguliers. La presque totalité de la consommation électrique dans le bureau ouest est due à un mini ordinateur allumé 24H/24 pour cause de réseau informatique.

3.3 Mesures particulières.

En plus des mesures décrites aux paragraphes précédents, il s'est avéré nécessaire d'effectuer des mesures complémentaires. Ces mesures discrètes se sont surtout focalisées sur le ventilateur et le réseau de distribution.

3.3.1 Mesures de débits au niveau du ventilateur.

Les mesures de débit se sont effectuées en utilisant la méthode des points de réseau. La section de passage de l'air est quadrillée en 12 éléments et une mesure de vitesse est effectuée au centre de gravité de chacun des éléments à l'aide d'un moulinet. La moyenne arithmétique de ces vitesses donne la vitesse moyenne de l'air. En multipliant cette vitesse par la surface de passage de l'air, on obtient une valeur du débit à travers la section désirée.

Le couloir dans lequel se trouve la grille d'aspiration du ventilateur comprend une sortie d'ascenceur par laquelle s'infiltre une certaine quantité d'air chaud provenant des étages supérieurs, ainsi qu'un soupirail amenant de l'air extérieur. Une première mesure a été de limiter ces infiltrations parasites en condamnant ces sources d'infiltration, afin de déterminer qualitativement les influences de ces dernières. Dans un second temps, nous avons effectué une mesure de débit afin de vérifier si l'air aspiré par le ventilateur provenait bien des caves. Le débit issu des archives varie entre 2 0 et 3 6 % du débit total aspiré, alors que le flux d'air provenant du dépôt 1 varie entre 10 et 18 %, en fonction de la tension d'alimentation du ventilateur. Ce qui signifie que le débit parasite d'air à température ambiante du couloir oscille entre 52 et 6 2 %. Cette constatation nous a amené à effectuer une intervention majeure entre le 13 et le 14 août, période durant laquelle un réseau de gaines souples a été installé entre les caves et la grille d'aspiration du ventilateur. Une autre

7

SONDES Numéro PRECISION DESCRIPTION

ENSOLEILLEMENT Hgh 2 % global horizontal

TEMPERATURE TOO 0.1 °C Extérieure

TEMPERATURE T11 0.1 °C Bureau 1, bas

TEMPERATURE T 1 2 0.1 °C Bureau 1, milieu

TEMPERATURE T 1 3 0.1 °C Bureau 1, haut

TEMPERATURE T31 0.1 °C Bureau 3, bas

TEMPERATURE T 3 2 0.1 °C Bureau 3, milieu

TEMPERATURE T33 0.1 °C Bureau 3, haut

TEMPERATURE Tg1 0.1 °C Sortie gaine, bureau 1

TEMPERATURE Tg3 0.1 °C Sortie gaine, bureau 3

TEMPERATURE Tt1 0.1 °C sous tuile, ouest

TEMPERATURE T e l 0.1 °C Cave, bas

TEMPERATURE Tc2 0.1 °C Cave, milieu

TEMPERATURE Te 3

0.1 °c

TEMPERATURE Tc4

0.1 °c

TEMPERATURE Tv1

0.1 °c

0.1 °c

HUMIDITE RELATIVE Hre 2% Extérieur

HUMIDITE RELATIVE Hrb 2% Bureau 3

HUMIDITE RELATIVE Hrc 2% Cave, entrée ventilateur

DEBIT AIR Dre 2% Gaine principale

PUISSANCE ELECTRIQUE Pev 2 % Ventilateur

PUISSANCE ELECTRIQUE Peb 2 % Combles

TEMPERATURE OPERATIVE Tob 0 . 3 ° C Bureau 3

OUVERTURE VELUX Ov3 - Bureau 3

OUVERTURE FENETRE Of3 ^- Bureau 3

OUVERTURE AERATION Oa3 - Bureau 3, VELUX

POSITION STORE Os3 12.5% Bureau 3

OUVERTURE PORTE Op3 ^- Bureau 3

ENSOLEILLEMENT TEMPERATURE HUMIDITE DEBIT

PUISSANCE ELECTRIQUE TEMPERATURE OPERATIVE OUVERTURE FENETRE POSITION STORE

Solarimètre KIPP - ZONEN CM5

Thermocouple CU-CONSTANTAN + Référence PT100 Sonde ROTRONIC, YA 100

Anémomètre SCHILTKNECHT â fil chaud Puissancemètre ABB GTU281 et EMU 1.28a Confortmètre BRUEL-KJER 1212

Contacteur, Home made Contacteurs, Home made

Table 3 . 1 Liste des points de mesure.

8

cave servant de dépôt a, en outre, été reliée au réseau d'aspiration d'air, augmentant ainsi la quantité d'air frais disponible.

Après installation du réseau de gaines souples, de nouvelles mesures de débits ont été effecutées, afin de déterminer l'influence de ce dernier sur la quantité d'air aspirée. Les résultats figurent au Tableau 3.2.

Tension Compactus "Cuisine" "Carnotzet" Total

m3/h m3/h m3/h m3/h

3 8 0 V 621 4 1 5 3 3 6 1 3 7 2

3 8 0 V 7 0 8 4 6 0 0 1 1 7 0

3 8 0 V 8 2 0 0 0 8 2 0

Table 3 . 2 répartition des débits avec la nouvelle gaine en amont du ventilateur.

3 . 3 . 2 Mesures de débits au niveau du bureau.

Après une première mesure du débit d'air puisé dans les bureaux, nous avons constaté une grande irrégularité de distribution d'air entre les bureaux. Nous avons, alors, procédé à un rééquilibrage du réseau de distribution d'air aux combles et tenté de déterminer quel volume horaire d'air était envoyé dans chaque bureau. Après approximation de la section réelle de passage d'air des grille par rapport à la surface de ces dernières, la surface de soufflage effective représentant 60.5 % de la surface réelle de la grille, on trouve un débit puisé supérieur de 12 % par rapport au débit d'air aspiré des caves. Ce résultat s'explique par les infiltrations d'air en amont du ventilateur et ce, malgré la présence du réseau de gaines, par l'imprécision de la mesure, ainsi que l'irrégularité des débits. Les résultats figurent au Tableau 3 .3.

Il a ensuite été nécessaire de trouver une relation entre la vitesse de l'air puisé dans le bureau 403, celui que nous avons choisi d'investiguer le plus compètement, et le signal du débit d'air aspiré en sous-sol exprimé en pourcent de pleine échelle par un anémomètre à fil chaud.

(3.1) Vg3 = 0 . 0 0 1 3 3 4#( V a s p % * V a s p % ) - 0 . 0 5 si l'air provient des archives seulement

= 0 . 0 0 0 6 4 1 3 * ( V a s p %#V a s p % ) pour l'installation initiale (sans réseau de gaines)

Où, Vg3 représente la vitesse moyenne de l'air à la sortie de la grille en [m/s], et Vasp% représente le débit d'air aspiré en sous-sol et exprimé en [%].

Ces deux formules résultent d'un changement dans l'appareillage de mesure lors de la pose des gaines supplémentaires.

Connaissant la section de passage des grilles, il est aisé de déterminer le débit puisé dans le bureau à partir de la vitesse de l'air. La relation entre signal de l'anémomètre (exprimée en % de pleine échelle) et débit d'air puisé est représentée à la figure 3.1 pour l'installation initiale..

9

4 0 5

406

4 0 7

4 0 8

3 0 0

50 1.65 |

100

50 1.16 | 150 1.871

50

3 0 0 1.691 50

3 0 0 1.751 50

WC

3 0 0 1.73 | 50

4 0 9

m/s mm mm

4 0 0

| 1.83 5 0

| 1.86 4 0 0

h

5 0 0 I 3.65 50

500

| 2.50 50

5 0 0 11.50 50

J

| 1.95 50 11.80 4 0 0

5 0 4 1 0

Ces mesures ont été effectuées avec une tension aux bornes du ventilateur de 160 V

Débits dans tes pièces

N ° Débit (m3/h) 4 0 0 131 16%

401 65.3 8 % 4 0 2 109 14%

4 0 3 159 2 0 %

404 129 16%

4 0 6 5 3 . 2 7%

4 0 7 114 14%

409 4 5 . 2 6%

Total 8 0 6

Table 3.3 plan de l'étage et débits dans chaque bureau.

% * % : signal de l'anémomètre en % au carré

Figure 3 . 1 Relation entre le débit mesuré dans le bureau 4 0 3 et le signal de l'anémomètre.

3 . 3 . 3 Mesures sur le ventilateur.

Les données techniques du ventilateur à notre disposition étant assez peu fournies, nous avons mesuré la puissance électrique absorbée par ce dernier, ainsi que les pertes de charge du réseau de gaines, ces mesures ont été pratiquées sur l'installation initiale et ceci pour tous les régimes de fonctionnement du ventilateur. Les résultats sont rapportés au tableau 3 . 4 . A partir des mesures des puissance, et de la connaissance des pertes de charge et des débits, il a été possible de déterminer l'efficacité du ventilateur aux différents régimes (figure 3.2).

(3.5) Putile = V t o t ' D P (3.6) e = Putile/Pélectrique

Où, Vtot: Représente le débit aspiré en sous-sol en [m3/s]

DP: Représente la perte de charge en [Pa]

e : Représente l'efficacité du ventilateur

Tension U Pel Perte charge Débit P utile Efficacité

V V W Pa m3/h W

0 0 0 0 0 0 0 %

6 0 6 3 4 3 4 8 6 0 5 8 1 9 %

100 103 73 100 9 3 6 2 6 3 6 %

160 165 139 2 0 0 1 2 9 6 7 2 5 2 %

2 6 0 2 6 8 191 2 8 0 1613 125 6 6 %

3 8 0 3 9 3 3 9 8 4 0 0 1807 201 5 0 %

Table 3 . 4 Caractéristique du ventilateur, sans réseau de gaines avant lui.

11

0.7 0.6 e

f 0.5 f

i c a c

i 0.2 f é

0 . 1 +•

0.4 0.3

-t-

50 100 150 2 0 0 2 5 0 Tension d'alimentation [V]

3 0 0 3 5 0 4 0 0

Figure 3 . 2 efficacité mesurée du ventilateur selon table 3 . 4 .

3 . 3 . 4 Mesures de consommation d'électricité dans Je bureau 4 0 3 .

Afin de déterminer les charges internes du bureau le plus précisément possible, nous avons effectué des mesures de puissance éléctrique consommée. Cette mesure qui aurait dû se faire de manière horaire à l'aide de puissancemètre de type ABB-Metrawatt, raccordé au Datalogger, n'a été faite que de manière ponctuelle. En effet les puissancemètres n'ayant pu être raccordés de manière satisfaisante, pour des raisons techniques et de délai, la mesure s'est effectuée sur une semaine à l'aide d'un puissancemètre portable EMU dont les valeurs ont été relevées manuellement et régulièrement. Un profil de consommation électrique tout à fait régulier a été obtenu et s'explique par le fait qu'un terminal reste constammant sous tension et constitue l'essentiel de la consommation électrique.

(3.7) Qel = 7 7 . 6 [W]

où Qel est la puissance électrique consommée.

12

Chapitre 4 : Traitement des données et Résultats bruts

4.1) Résumé .

Ce chapitre traite de la mise en forme des mesures et de la manière dont elles ont été traitées. On y trouve quelques commentaires sur la météorologie durant les périodes de mesure de 1989 et 1990, ainsi que des résultats bruts concernant la température à l'intérieur du bureau.

4.2) Mise en forme des résultats.

Les résultats, sous forme de fichiers CSV, sont rapatriés du Datalogger sur un PC portable par l'intermédiaire d'une interface. Des fichiers se rapportant au bureau, à la cave et à la météo sont ensuite constitués en utilisant un tableur bien connu. Pour chaque semaine, on a un fichier relatif à la cave (températures), à la météo (Températures, humidités, ensoleillement) et deux fichiers traitant du bureau ( températures, état des divers ouvrants, débit d'air aspiré en sous-sol).

4.3) Résultats bruts.

La figure 4.1 montre la température régnant dans le bureau en trois différents endroits, soit à 0.1 (m] du sol, à hauteur de travail, soit à 0 . 9 [m] du sol et sous le toit, soit à 3.5 [m] du sol et ceci pour la période la plus chaude (6-19 août). Le ventilateur a été coupé pendant 3 jours, soit le week-end du 10 au 12 août. Cette figure permet de mettre en évidence l'effet d'homogénéisation des températures de la ventilation, ainsi que l'effet du rafraîchissement à court et moyen terme.

La figure 4 . 2 montre les températures classées à l'intérieur du bureau durant la même période de 1989 et 1990. Sachant qu'il a fait plus chaud en 1 9 9 0 qu'en 1 9 8 9 durant cette période et que les charges internes sont plus élevées, cette figure permet de constater le gain apréciable apporté par le système de rafraîchissement, en tenant compte du fait que durant la période de mesure de1990 le ventilateur a été hors service pendant quelque septante heures.

35 30 25 20

15 10

5 0

1000

W/m»

6- 7- 8- 9- 10- 11- 12- 13- 14- 15- 16- 17- 18- 19- Aug Aug Aug Aug Aug Aug Aug Aug Aug Aug Aug Aug Aug Aug Figure 4 . 1 données météo et températures dans le bureau 4 0 3 du 6 au 19 août 1 9 9 0 .

13

31

2 2 -H 1 1 1 1 1 1000 8 0 0 6 0 0 4 0 0 2 0 0 0

Temps, heures

Figure 4 . 2 Comparaison des températures classées du bureau 4 0 3 à la place de travail durant les étés 1 9 8 9 et 1 9 9 0 ( 2 7 juillet au 9 septembre).

Exemple : 9 7 0 heures avec T < 2 6 ° C avec le système de rafraîchissement contre 4 4 0 l'année précédente, sans le système.

14

Chapitre 5 : Analyse des résultats et description de l'approche simplifiée.

Ce chapitre expose la méthode utilisée pour traiter les résultats, dans les différents éléments du système de rafraîchissement. Un modèle simple que l'on évaluera sera établi pour chacun des sous-systèmes et permettant ainsi de tester l'influence des divers paramètres. Ces modèles seront assemblés afin de permettre une approche simplifiée du système pris dans sa globalité.

5.1 Le Bureau.

5.1.1. Description et hypothèses.

Nous allons essayer de décrire ce qui se passe dans le bureau choisi en établissant un bilan de puissance sur un seul noeud. La figure 5.1 montre quels sont les flux agissant dans le bureau, ainsi que la frontière sur laquelle nous effectuons le bilan. On a supposé qu'il n'y avait pas d'échange à travers les parois séparant les bureaux, ces derniers étant considérés comme ayant la même température. L'influence de l'ouverture de la porte, des fenêtres et de la variation de la position du store de la fenêtre de toiture peuvent difficilement entrer dans l'expression du bilan proposée ci-dessous. On néglige donc l'influence des transferts de masse entre le bureau 4 0 3 et le reste de l'étage. On suppose, en outre, que le store est baissé en permanence (lamelles entrouvertes).

Résumé.

Figure 5.1 shéma thermique du bureau.

15

Le bilan peut s'écrire comme suit,

(5.1) Qref + Gs'Seff + Qint - Kb'(Tint - Text) = Cb#dTint/dt Où, Qref

Gs Seff Oint Kb Tint Text Cb dt

Puissance de refroidissement en [W] ( < 0 ) Rayonnement solaire dans le plan du toit [W/m2]

Surface effective de captage [m2]

Charges internes [W]

Coefficient de transfert-chaleur du bâtiment [W/K]

Température intérieure moyenne du bureau étudié [°C]

Tempéraure extérieure [°C]

Capacité de stockage du bureau 4 0 3 [Wh/K]

intervalle de temps 5.1.2. Détermination des paramètres.

- (5.2) Qref = 0 . 3 3#V 4 0 3 * ( T g 3 - T i n t )

Où, V 4 0 3 : Débit d'air puisé dans le bureau 4 0 3 [m3/h], déterminé selon §3, Tg3 :Température de l'air puisé dans le bureau 4 0 3 [°C]

- Gs : Représente le rayonnement solaire rapporté dans le plan du toit. Le solarimètre enregistrant l'ensoleillement global horizontal, la transposition de l'ensoleillement global horizontal dans le plan du toit s'est faite en utilisant le programme G3.

- Seff : La surface effective de captage solaire est un des paramètres que l'on devra tenter de déterminer, pour comprendre l'influence du soleil sur la température de la pièce.

- Qint : La mesure exacte des gains internes s'est avérée assez difficile, du fait de la fluctuation aléatoire de certains paramètres, tels que la présence de une ou deux personnes dans le bureau, les échanges par transfert de masse ou de chaleur, l'utilisation des luminaires et des appareils électriques. Nous avons quantifié Qint de la manière suivante:

(5.3) Qint = Qpers + Qlum + Qel

Où, Qpers : Puissance-chaleur dégagée par les occupants de la pièce et calculée de la manière suivante: On suppose qu'une personne dégage en moyenne 100 [W] et qu'elle est présente de 8 h 0 0 à 12h00 et de 13h00 à 18h00. Les présences durant la période de mesure, qui coincidait également avec la période des vacances, ont été approximées ainsi :

Période Nombre d'occupants du 0 9 . 7 au 0 1 . 8 1

du 0 1 . 8 au 2 0 . 8 1/2 du 2 0 . 8 au 16.8 1

Qlum : La puissance-chaleur dégagée par les luminaires a été supposée nulle, car ces derniers n'ont pratiquement jamais été allumés pendant la période de mesure.

16

Qel : La puissance chaleur apportée par les divers appareillages électriques est constante car due principalement à un terminal mis constamment sous tension et égale à 7 8 W (Cf §3).

L'expression des charges internes se réduit donc à la somme des puissances-chaleur dégagées par les occupants de la pièce et des machines.

(5.4) Qint = Qel + Qpers

- Kb : Représente le coefficient de transfert-chaleur global entre le bureau et l'extérieur.

C'est un paramètre que l'on déterminera par la suite.

- Tint : La température moyenne intérieure du bureau a été supposée égale à la moyenne arithmétrique des trois températures d'air de ce dernier

(5.5) Tint = (T31 + T 3 2 + T33)/3

- Text : La température extérieure est mesurée à l'aide d'une sonde placée au nord du bâtiment dans un endroit abrité du soleil.

- Cb : La capacité thermique du bureau a été calculée par deux méthodes distinctes et sa valeur a déjà été déterminée au chapitre 2.

(2.1) Cb = 1 5 0 0 - 2 0 0 0 [Wh/K]

5.1.3. Etablissement du diagramme H-M.

En reprenant l'expression du bilan (5.1), en l'intégrant sur une journée et en supposant que la température intérieure demeure constante sur une journée, le bilan énergétique s'écrit alors,

(5.6) Qref + Gs#Seff + Qint - Kb#(Tint - Text)= 0, où tous les membres s'expriment en [Wh].

En divisant (5.6) par (Tint-Text), on trouve:

(5.7) (Qref + Qint)/(Tint-Text) = Kb - Gs#Seff/(Tint-Text).

En posant M = Gs/(Tint-Text) et H = (Qref + Qint)/(Tint-Text), on obtient:

(5.8) H = Kb - M*Seff.

Les valeurs du membre de gauche et du coefficient M sont connues. En représentant sur un graphe H en fonction de M, on obtient le diagramme H-M où H représente la demande de froid ou de chaud et M, un facteur météo. Si, comme à la figure 5.2, la corrélation entre les points est bonne, la pente de la régression linéaire de ces points peut être interprétée comme la surface effective de captage du bureau et l'ordonnée à l'origine représente le coefficient de transfert de chaleur global de la pièce.

On peut apporter quelques commentaires sur le diagramme H - M du bureau (figure 5.2). Les valeurs que l'on y rapporte sont des valeurs journalières moyennes. Si la température extérieure est très voisine de la température intérieure, H et M deviennent très grands et à ce moment, ces points, se trouvant rejetés à l'infini, influencent fortement la régression linéaire. C'est le cas du point relatif au 29 juillet que l'on a donc supprimé. En

17

effet, une variation de Text de 0.1 °C entraînait un passage de Kb de - 6 0 4 . 5 [W/K] à 3 3 8 . 4 IW/K] , et de Seff de 7 . 2 2 [m2] â - 7 . 6 5 [m2] ce qui ne traduit aucune réalité physique.

Figure 5 . 2 diagramme H - M du bureau 4 0 3 , été 1990.

On peut en conclure que, dans l'interval de confiance de 9 5 % , : (5.9) 0 . 3 1 [m2] < Seff < 0 . 4 6 [m2]

1.9 [W/K] < Kb < 2 6 . 2 [W/K]

Ces résultats nous permettent de dire que la valeur de la surface effective est assez bien cernée, on retiendra comme valeur de Seff = 0 . 4 [m2], pour les calculs futurs, alors que la valeur de Kb varie fortement entre deux valeurs qui sont cohérentes. En divisant Kb par la surface de façade, toit et vitrage en contact avec l'extérieur, soit 2 4 . 6 4 [m2], on trouve un coefficient K moyen qui varie entre 0 . 0 7 7 [W/m2K] et 1.061 [W/m2K].

Connaissant la strucure de l'enveloppe et en tenant compte de l'ouverture très fréquente du vélux donnant sur une place sans trafic, on peut dire que Kb sera proche de la valeur supérieure, soit 2 6 . 2 [W/K].

Après avoir déterminé la surface effective de captage, il est intéressant de voir l'influence des divers éléments constituant l'enveloppe. Ainsi, nous allons déterminer successivement l'influence des gains solaires par le toit, la fenêtre de toiture, la fenêtre en façade et la façade.

5 . 1 . 4 . Détermination des gains solaires par le toit.

Pour déterminer les gains solaires â travers le toit, il est nécessaire de bien connaître sa structure. Pour cela, on divise le toit en deux parties principales, une extérieure, qui va des ardoises au premier lattage en pin et une intérieure allant de l'isolation au plafond. La sonde de température du toit se situe au-dessus de l'isolation, sous le lattage de pin. On suppose que le bureau est entièrement sous les combles et que, par conséquent, la surface du toit correspond exactement à celle du plafond. La surface de plafond est de 1 9 . 7 6 [m2]

4 0 0

H [W/K]

600

300

M [W/m2K]

18

moins la surface de la fenêtre de toiture, soit 18.64 [m21. La figure 5.3 montre un coupe du toit, avec les matériaux utilisés. D'après cette figure et connaissant les dimensions du toit, il est possible de définir 6 zones caractérisées chacune par une structure de toiture, donc un cofficient K propre.

Figure 5.3 coupe du toit

5 . 1 . 4 . 1 . Détermination du coefficient K du toit.

En regardant la coupe, on voit que l'isolation du toit se compose de deux couches de respectivement 1 0 0 et 6 0 [mm] d'épaisseur. La première couche se situe entre les chevrons { 1 5 0 / 1 5 0 [mm] ) et la seconde entre les composants d'un premier lambourdage de dimension 5 0 / 6 0 [mm]. Suivant les coupes présentées à la figure 5.3, on distigue 3 zones distinctes: la première, Z1, n'étant constituée que de bois, la seconde, Z2, constituée du chevron et de l'isolation de 6 0 [mm] et la troisième, Z3, ne comprenant ni lambourdes, ni chevrons. Si on tient encore compte du second lambourdage ( 2 7 / 6 0 [mm] ), qui supporte le plafond, on peut définir six zones, suivant que les trois zones citées ci-dessus sont en contact avec la seconde lambourde ou non. Il nous reste maintenant à déterminer la surface de toit qu'occupe chacune de ces six zones. Pour cela, on suppose que la distance entre le chevrons et les composants du premier lattage est de 0 . 7 5 [m], ce qui permet de placer quatre largeurs d'isolation sur la largeur du plafond qui vaut 3 . 0 3 [m]. La distance entre les lambourdes du second lattage est de 0 . 6 [m], ce qui permet de placer dix largeurs sur la longeur du plafond qui vaut 6.52 [m]. Le Tableau 5.1 ci-après, donne les surfaces relatives aux différentes zones du toit.

Largeur chevron seul chevron + lamb 1

isolation seule total

Longeur [m] 0 . 3 6 0 . 2 4 2 . 4 3 3 . 0 3

lamb 2 0 . 6 0 . 2 1 6 0 . 1 4 4 1 . 4 5 8 1.818 air 5 . 9 2 3.131 1.421 1 4 . 3 8 6 1 7 . 9 3 8 total 6 . 5 2 2 . 3 4 7 1.565 1 5 . 8 4 4 1 9 . 7 5 6 Tableau 5.1 Surfaces relatives aux différentes zones du toit.

19

Nous pouvons maintenant déterminer le coefficient K du toit. On se donne le coefficient de convection intérieur en se référant aux valeurs généralement admises :

(5.10) hi = 8 lW/m2K]

On détermine pour chaque zone le coefficient Ktn, puis on détermine le K relatif à la zone intérieure, Kti, de la façon suivante :

(5.11) Kti = X . (Ktn/Sn)/Stot

Après avoir calculé le K relatif à la zone extérieure, Kte, il devient possible de déterminer le coefficient K total du toit.

Kt = 1/((1/Kti) + (1/Kte)) = 0 . 2 4 W/m2K

5 . 1 . 4 . 2 . Détermination des gains solaires par le toit

Connaissant le coefficient de transfert chaleur Kti de la zone intérieure du toit, il est possible de quantifier les gains à travers le toit et de définir une surface effective de captation solaire Seft :

(5.12) gt = Kti * (Tt-Tint) * St = Seft # Gs

Où, gt : Puissance-chaleur surfacique moyenne journalière dans le plan du toit [W]

Tt : Température sur l'isolation [°C]

St : Surface du plafond [m2]

Seft : Surface effective de captation à travers le toit [m2] Gs : Rayonnement solaire dans le plan du toit [W/m2]

En effectuant un bilan de puissance sur l'élément de toit de la figure 5..4, on peut écrire:

(5.13) a*Gs = he'(Tt-Text) + Kti * (Tt-Tint)

Où, a : Le coefficient d'absorption du toit he : Le coefficient de convection extérieur [W/m2K]

T, ⁿ h

Figure 5.4 Schéma thermique des gains solaires à travers le toit.

20

On peut extraire la valeur Tt de l'expression (5.13)

(5.14) Tt = a * Gs/(he + Kti) + Text * he/(he + Kti) + Tint * Kti/(he + Kti) En combinant (5.12) et (5.14), on obtient,

(5.16) gt = St * Kti * {a * Gs/(he + Kti) + Text # he/(he + Kti) + Tint * Kti/(he + Kti) - Tint}

= St * Kti/(he + Kti) * {a * Gs - he * (Tint-Text)}

En divisant les deux membres de l'équation par (Tint-Text), on obtient :

(5.17) gt/(Tint-Text) = St*a*Kti/(he + Kti)*Gs/(Tint-Text) - St#Kti*he/(he +Kti), qui devient (5.18) G = S e f t * M - Kt, en posant :

G = gt/(Tint-Text) M = Gs/(Tint-Text) Kt = St*Kti*he/(he + Kti) Seft = St*a*Kti/(he + Kti)

Les valeurs de gt en [W] et de Gs en IW/m2] s'obtiennent en moyennant respectivement, l'expression (5.12) sur une journée et les puissances solaires horaires. Les unités du membre de gauche et du second terme du membre de droite s'expriment en [W/K], alors que celles du premier terme du membre de droite s'expriment en [W/m2K]. En reportant sur un graphe le terme gt/(Tint-Text) en fonction du premier terme du membre de droite, on obient un ensemble de point s'alignant assez bien sur une droite qu l'on peut calculer en effectuant une régression linéaire. C'est ce que permet de constater la figure 5.5.

La pente de cette régression a pour unités des [m2] et représente la surface équivalente de captage de l'énergie solaire arrivant sur le toit. L'ordonnée à l'origine représente le coefficient de transfert-chaleur du toit. On trouve les valeurs suivantes et leur intervalle de confiance à 9 5 % :

(5.19) 0 . 0 9 3 [m2] < Seft < 0 . 1 0 8 [m2]

M (W/m2Kl

Figure 5.5 détermination des gains solaires à travers le toit.

5 . 1 . 4 . 3 Discussion des paramètres

D'après les hypothèses d'écriture de la formule (5.18), on peut effectuer quelques tests de cohérence des résultats obtenus. Ainsi, connaissant la valeur de la surface effective de captage du toit, il est possible de déterminer le coefficient de convection extérieur

21

moyen. On s'attend à ce qu'il se situe entre 2 0 et 3 0 [W/m2K], suivant la force du vent.

Comme Seft = St#a*Kti/(he + Kti) = St * 0 . 0 0 5 4 est déterminé avec précision, on peut exprimer he ainsi.

(5.20) he = (St*a*Kti)/Seft - Seft'Kti = 31 [W/m2K]

Avec, Kti = 0 . 2 4 [W/m2K]

a = 0.7

St = 18.64 [m2]

Seft = 0.1 [m2]

La valeur de he est tout à fait plausible compte tenu de l'exposition au vent de la façade ouest. D'autre part, la valeur de Ktoit, calculée plus haut permet de vérifier la cohérence de Kt, donné par la formule (5.19), la surface de toit étant de 18.64 [m2], on en déduit que,

0 . 0 8 9 < Ktoit < 0 . 2 2 2 , or Ktoit a été estimé à 0 . 2 1 8 , valeur comprise dans l'intervalle de cohérence.

Il est intéressant de déterminer l'influence de l'isolation du toit sur les gains solaires par le toit. Les gains croissent linéairement avec le coefficient de transfert chaleur intérieur Kti, la figure 5.6 en donne une représentation. Ainsi, si l'isolation passe de 16 [cm] à 5 [cm], la surface effective de captage passe de 0.1 [m2] â 0 . 2 2 [m2], ce qui provoque une augmentation de surface effective de captage du bureau de 0 . 4 à 0 . 5 [m2].

Coefficient de transfert chaleur intérieur Kti [W/m2K]

Figure 5.6 Influence de l'épaisseur d'isolation sous le toit sur les gains solaires.

5 . 1 . 5 Gains par les fenêtres

5 . 1 . 5 . 1 Gains par la fenêtre de toiture

A partir de la surface de vitrage (1m2) et en tenant compte du store à lamelles de couleur claire, on peut estimer la surface effective de captage. Les références 5.1 à 5.3 donnent la transmission énergétique de tels stores. Avec les propriétés optiques des stores suivantes :

22

transmission : 15 % réflexion : 7 5 % absorption : 1 0 %

on obtient une transmission énergétique totale de l'ensemble vitrage - store de 2 8 % . La surface effective de captage devient alors, en incluant des pertes supplémentaires de 2 0 % dues aux ombres portées (cadre,..) et aux salissures, :

1m2 • 0 . 2 8 # 0 . 8 = 0 . 2 2 m2.

L'incertitude sur la détermination de cette surface est due principalement à l'inclinaison des lamelles, comme montré dans la référence 5.1. On peut situer cette surface effective de captage à

0 . 1 5 m2 < Seffv < 0 . 4 m2. 5 . 1 . 5 . 2 Gain par le lanterneau

La surface de vitrage de 0 . 3 5 m2 doit être pondérée par la transmission (80%), les pertes par ombrage proche et salissures (20%) et par le facteur de transposition entre le plan vertical sud ouest et le plan du toit incliné à 2 8 ° et sud ouest ( entre 0 . 5 et 0 . 6 selon l'époque et le type de temps). Nous arrivons donc à une contribution de :

Sefl = 0.1 m2

5 . 1 . 5 . 3 Gains par la façade

La bonne isolation intérieure des façades et la forte inertie des murs extérieurs aboutissent à une contribution nulle.

5.1.6 Influence des divers composants sur les gains solaires.

La surface équivalente de captage du bureau a été estimée à 0 . 4 [m2] en très bon accord avec l'estimation effectuée contribution par contribution. Grâce à l'excellente isolation, la contribution du toit est raisonnable et égale à 0.1 [m2] et à celle du lanternau, soit 25 % des gains totaux. La moitié des gains solaires est due au vélux quand le store est correctement fermé, cette contribution pouvant se monter aux 2/3 si les lamelles sont ouvertes.

5.1.7. Description de la méthode dvnamioue simplifiée et établissement du modèle.

Nous allons tirer profit des connaissances acquises sur le bureau dans les paragraphes précédents, afin de décrire l'évolution de la température moyenne par un bilan de puissance sur un seul noeud. Le modèle dynamique qui en résulte est obtenu à partir du bilan (5.1) exprimé en prenant l'heure comme unité de temps :

(5.21) 0.33*V403(h)#(Tg3(h)-Tint(h)) + Gs(h)*Seff + Qint(h) - Kb*(Tint(h) - Text(h)) = Cb#(Tint(h + 1 )-Tint(h))

d'où nous pouvons extraire Tint(h + 1 ) que l'on peut quantifier, les grandeurs du membre de droite étant toutes connues, soit par mesure, soit par calcul. L'expression de Tint devient :

(5.22)

Tint(h + 1 ) = Tint(h) + {0.33#V403(h)#(Tg3(h)-Tint(h)) + Gs(h)#Seff + Qint(h) - Kb#(Tint(h) - Text(h))}/Cb

23

Il reste à fixer le coefficient Kb, qui n'est déterminé que grossièrement par le diagramme H-M. Ceci s'effectue en exécutant quelques simulations de Tint que l'on compare avec sa valeur mesurée. La figure 5.7 montre la valeur mesurée et la valeur simulée de Tint pour le même intervalle de temps que celui utilisé aux figures de chapitre 4. La valeur de Kb utilisée pour cette simulation et retenue pour les suivantes est de

(5.23) Kb = 27 [W/K] , valeur qui se situe à l'extrémité supérieure de l'intervalle défini lors de la discussion du diagramme H-M.

32 T

22 -I i i 1 i ! S i i i

0 4 8 96 144 192 2 4 0 2 8 8 336 temps (heures)

Figure 5.7 température intérieure du bureau 4 0 3 simulée et mesurée, période 6 au 19 Aôut 1 9 9 0 .

Quelques commentaires peuvent être apportés sur cette figure. La température initiale de la simulation est celle mesurée au temps t = 0. On constate que les pics de températures sont nettement moins marqués dans la simulation que dans la réalité, cela s'explique par le fait qu'un seul noeud ne permet pas de décrire avec suffisamment de précision d'aussi brusques variations de température et d'éventuels changements dans la position des lamelles du store ou des fenêtres, portes.... Cet effet se fait surtout sentir durant trois jours représentant un week-end durant lequel le rafraîchissement a été interrompu. Les résultats obtenus lorsque le système fonctionne se calquent assez bien sur la réalité, la différence entre les températures modélisée et mesurée n'excédant jamais 0.8 [°C]. Plus parlante, car directement utilisable pour le dimensionnement de l'installation, la figure 5.8 montre les mêmes températures que la figure précédente classée en ordre décroissant. Cette dernière donne une idée de la précision de l'approche simplifiée que nous utiliserons dans la suite de ce travail.

24

3 3 6 288 2 4 0 192 144 96 4 8 0 Temps (heures)

Figure 5.8 températures du bureau 4 0 3 classées simuléés et mesurées. 6 - 1 9 Aôut 1 9 9 0 . Les paramètres influençant le climat du bureau étant cernés, il convient maintenant d'étudier les éléments se situant en amont de ce dernier et ayant une influence importante sur la température de l'air puisé dans le bureau. La cave, représentant le stock de froid sera le premier de ces éléments.

5.2. Les caves.

Un tel système de rafraîchissement passif peut être connecté à de nombreux types de stock de froid. Dans l'installation mesurée, les caves font office de réserve de froid. Etant donné la configuration de mesure des caves adoptée, les commentaires ci-après ne concernent que la cave abritant les archives. L'air à tempéraure ambiante qui y pénètre se refroidit au contact des parois et descend naturellement jusqu'à ce qu'il atteigne le fond où il est aspiré par le ventilateur.On constate à la figure 5 . 1 0 une stratification des températures durant les périodes chaudes, ce qui décrit bien ce mouvement descendant de l'air dû à son augmentation de masse volumique. Les informations relatives à la manière dont se fait l'échange et dont se réchauffe la cave sont fournies par quatre sondes de température réparties sur la hauteur.

5.2.1. Evolution de la température de la masse

Une de ces sondes que nous avons admise comme indiquant la température de la masse du stock se trouve à 0.5 [m] sous la surface du sol. La figure 5 . 9 montre la variation saisonnière de cette température. En se basant sur les valeurs mesurées en 1990, nous avons supposé que la variation de température était sinusoïdale et avons établi une relation

25

de la manière suivante. Des études approfondies sont menées actuellement sur ce problème.

La température maximale du stock a été atteinte le 29 août, soit le 241 ème jour de l'année, nous avons déterminé l'élévation quotidienne moyenne de température du stock en valeur absolue entre la fin août et le début décembre 1989, soit 0 . 0 7 2 1 4 [°C/jour], ce qui nous a permis d'estimer l'amplitude annuelle et la température moyenne. Ces valeurs nous permettent d'établir une fonction pour simuler la température du stock que l'on voit sur la figure 5.9.

(5.24) Tc4 = Sin(2*pi*(j-(241-365/4)/365))*A/2 +Tc4moy

Où, A : Représente l'amplitude de température durant l'année, calculée ainsi,

A = 3 6 5 / 2 * 0 . 0 7 2 1 4 = 13.14 [°C]

Tc4moy : Représente la température moyenne de la masse, déterminée ainsi,

Tc4 moy = Tc4max - A/2 = 12.81 [°C]

j : Représente le numéro du jour dont on désire connaître la température, le 1er janvier étant le jour n ° 1.

Evolution de la température de la masse du stock de froid 21

T 2 0 2 0 e 19 m 18

P 17 é 16 r 15 a 14 t 13 u 12 r 11 e 10

0 9

C 8 8 7 6

i -j r r

i 1 i 1 T

î i j

i i i

j j i

j J

s S,

/

\ \\ _{k ! i}

^{\ \}

i

\

\ ¹

_{\\l i} 1 _{j / f}

/ / \ ^\ _\

u ^

^\

i

\

! V

i j

j j

{

Mesurée Simulée

8/5/89 11/3/89 2 / 1 / 9 0 5/2/90 7/31/90 10/29/90 Date

Figure 5.9 modèle de variation annuelle de la température de la masse de la cave.

26

5.2.2 Etablissement d'un modèle pour la cave

Le refroidissement de l'air peut être modélisé à l'aide d'un échangeur dont la surface d'échange serait constituée par les parois des caves et des objets s'y trouvant. La figure 5 . 1 0 montre comment s'amortit la température de l'air pendant son transfert dans la cave.

72 96 120 144 168 192 216 240 Temps (heures), 0=6/8/90

Figure 5 . 1 0 Evolution de la température de l'air entre l'entrée (Text) et la sortie ( T c D de la cave. Tc4 représente la température de la masse (-50cm).

On peut voir nettement un amortissement de l'amplitude de variation quotidienne ainsi qu'un déphasage du maximum quand on s'éloigne de l'entrée. On peut voir cette évolution comme signe que l'échange de chaleur entre l'air et la masse de la cave devient suffisant pour amortir complètement les variations de la température d'entrée. Les calculs exacts permettant de trouver la surface d'échange nécessaire pour obtenir cet effet sont actuellement réalisés en détails. Vu le temps restreint à disposition dans cette étude, nous avons traité le refroidissement de l'air en valeur moyenne quotidienne. Nous avons supposé que l'air à la sortie de la cave, T e l , était constitué d'un mélange d'air extérieur (free cooling) et d'air provenant de la masse du stock (refroidissement par inertie).

(5.25) 0 . 3 3 * V t o t * T c 1 = 0 . 3 3 ' V t o t * X * T c 4 + 0 . 3 3 * V t o t * ( 1 - X )#T e x t en [W]

On peut exprimer X et essayer de déterminer sa valeur en considérant les températures moyennes journalières,

(5.26) X = (Tel - Text)/(Tc4 - Text)

Sur la figure 5.11, nous avons représenté (Tc1-Text) en fonction de (Tc4-Text).

L'ensemble des points obtenu présente une forte corrélation. En effectuant une régression linéaire sur ces points, régression que l'on force par zéro, la pente de la droite obtenue ne représente rien d'autre que X qui vaut 0 . 8 3 8 . Cette valeur peut être considérée comme valeur caractéristique pour le refroidissement de l'air extérieur. On constate donc, qu'en valeur moyenne, l'air aspiré hors de la cave peut être approximé comme étant constitué de 8 3 . 8 % d'air à température de la masse et 1 6 . 2 % d'air extérieur.

Ainsi, connaissant la température extérieure et la date de la mesure nous sommes à même de déterminer la température moyenne de l'air à la sortie de notre échangeur. La

27

figure 5.12 permet de comparer les températures calculées et mesurées en valeur moyenne journalières et horaires

Te 1-Text [°C]

4

2

0

- 2

-4 -6 -8 - 1 0

" À k j r

À

& Te l-Text = (Tc4-Tex t) # 0 . 8 3 8

• /

-12 - 1 0 -8 -6 -4 -2 Tc4-Text [°C]

Figure 5.11 détermination du paramètre X exprimant le taux de mélange température extérieure - température de la masse, valeurs moyennes quotidiennes.

T e l ~ Simulée moyenne — Mesurée moyenne — Mesurée journalière journalière

0 168 336 504 672 840 1008 1176 1344 1512 1680 Temps (heure)

Figure 5 . 1 2 températures de sortie de la cave simulées et calculées été 1990.

28

5.3 Le réseau de distribution

La figure 5 . 1 3 , montre l'élévation de température que subit l'air froid entre la sortie de la cave et la pulsion dans le bureau. Dans le cas d'une telle installation qui n'a pour but que de rafraîchir des locaux, cette élévation de température doit être minimisée. Le but de ce paragraphe est de déterminer les causes de réchauffement de l'air. En procédant à une brève analyse qualitative de ces causes, on peut citer :

- Pertes par mélange entre les grilles de transfert des portes des caves et la grille d'aspiration du ventilateur lorsque le système de gaines n'est pas installé et pertes par infiltration après installation de ce dernier.

- Pertes par échauffement dans le ventilateur et dans les gaines de ventilation (pertes de charge).

- Pertes par transfert chaleur dans le réseau de gaines.

N'ayant mesuré qu'une seule cave, et étant dans l'impossibilité de connaître suffisamment bien les pertes par mélange avant installation du réseau de gaines souples en sous-sol, l'étude qui suit se base exclusivement sur les mesure prises lorsque le réseau de gaines est installé, avec la cave des archives comme unique source de froid.

1128 1152 1176 1200 1224 Temps (heure)

1248 1272

Figure 5 . 1 3 Echauffement de l'air dans le réseau de distribution. T e l = sortie cave, Tg3 = pulsion dans bureau 4 0 3 . Tension ventilateur : 3 8 0 V .

5.3.1 Détermination de \a répartition de pertes.

Dans le paragraphe qui suit, le système de distribution est divisé en trois zones, la zone 1 se situe avant le ventilateur (zone amont et située en bas du bâtiment), la zone 2 entre l'entrée et la sortie du ventilateur et la zone 3 après le ventilateur (zone aval et située en haut du bâtiment). D'après les mesures relatives à la période citée ci-dessus, on peut

29