ETUDE DE L’INFLUENCE DE LA TEMPÉRATURE SUR LE CONFORT THERMIQUE DANS UNE CELLULE EXPÉRIMENTALE

INTRODUCTION GENERALE

Actuellement, l’homme s’intéresse de jour en jour à l’étude de la thermique de l’habitat. Toute construction doit la prendre en compte afin d’avoir le confort à l’intérieur d’une maison sans dépenser beaucoup d’énergie. Dans les pays industrialisés, l’économie d’énergie doit être toujours accompagnée du confort thermique. A nos jours, les pays en voie de développement, notamment les pays du Sud, entreprennent des recherches dans ce domaine.

En effet, il existe déjà beaucoup de travaux qui ont été déjà faits dans le domaine de la thermique de l’habitat. Parmi eux, nous pouvons citer ceux de RAKOTO JOSEPH Onimihamina qui comparent des différentes méthodes d’analyse de sensibilité paramétriques des modèles appliqués en thermique de l’habitat [1] , ceux de RAZANAMANAMPISOA Harimalala basés sur l’étude du confort thermique dans une cellule type pièce et sur celle de la cellule Laboratoire Génie Industriel (LGI) [2] [3], la modélisation du confort thermique dans l’habitat par THELLIER Françoise [4], ceux de l’étude de la modélisation du transfert thermique dans un bâtiment en utilisant le logiciel CODYRUN effectués par BOYER Henri, GARDE François, … [5], [3].

Pour notre part, nous avons réalisé une cellule de dimensions adéquates et fait son instrumentation ainsi que ses simulations thermiques dynamiques en utilisant le logiciel de simulation ENERGY PLUS. Nous avons fait notre étude selon le climat à Madagascar ainsi que selon le type d’habitation existant.

L’objectif de notre mémoire est de vérifier l’influence des différentes températures au sein du bâtiment sur le confort à la suite de la modélisation des transferts thermiques ayant lieu dans ses intérieur et environnement.

Afin de rapporter nos travaux de mémoire, en plus des introduction et conclusion et des annexes, nous divisons notre mémoire en quatre chapitres. Ainsi :

• Le premier chapitre décrit les notions de transfert thermique dans un habitat. Des généralités sur le confort thermique d’un habitat donné et sur les lois de transfert de chaleur sont développées.
• Le second chapitre décrit la cellule expérimentale et son environnement. A cet effet, sa présentation est faite avec ses caractéristiques et son instrumentation.
• Dans le troisième chapitre, nous présentons la modélisation de la cellule expérimentale que nous avons réalisée. Les simulations qui s’y rapportent sont détaillées à ce niveau.
• Dans le quatrième chapitre, les résultats obtenus lors de l’expérimentation et des simulations sont présentés. Leur interprétation suit cette démarche.

Chapitre I : TRANSFERT THERMIQUE DANS UN HABITAT

I-1 Confort thermique

Le confort thermique est l’ambiance ou la sensation ressentie par l’occupant à l’intérieur de l’habitat. Il s’agit alors de la sensation de ne pas avoir trop chaud en été ou encore de se sentir froid en hiver. Selon l’Agence nationale de l’habitat (Anah) en France et aussi l’Institut bruxellois pour la gestion de l’environnement, le confort thermique est quelque chose de difficile à définir, [6] [7], car il existe plusieurs enjeux à considérer pour pouvoir établir le confort à l’intérieur d’un bâtiment, [8].

L’occupant est un enjeu à ne pas négliger, car dans une même ambiance, chacun peut avoir une sensation différente telle qu’il y a au moins 5% d’insatisfaits, [9]. En dehors des variables fondamentales du confort thermique, d’autres variables telles que les variables psychologiques, physiologiques et aussi sociologiques sont à considérer. Le fonctionnement du corps humain qui fait partie de l’aspect physiologique est important comme la thermorégulation et l’échange thermique avec l’environnement, [10].

Le corps humain échange de la chaleur avec le milieu occupé, la perception du froid ou du chaud dépend de la quantité de la chaleur Q échangée, [2] [8]. Elle s’exprime par la relation :

Q = C.dT/dt = M − (± Resp ± RayIR + Raysol –Evap ± Cond ± Conv) (1)

Avec :

• C : la capacité calorifique,
• dT : la variation de la température,
• dt : la variation du temps,
• M : le métabolisme,
• Resp : l’échange respiratoire,
• RayIR : l’échange radiatif avec l’infrarouge,
• Raysol : l’échange radiatif avec le rayonnement solaire,
• Evap : l’évaporation de la sueur,
• Cond : l’échange par conduction,
• Conv : l’échange par convection.

Trois cas se présentent alors :

• Pour Q˂0, il y a perte de chaleur et sensation du froid.
• Q = 0, il y a équilibre thermique entre l’individu et le milieu,
• Q ˃ 0, il y a gain de chaleur et sensation du chaud.

Le tableau 1 indique les taux des différents échanges thermiques entre le corps humain et son environnement, [9].

Tableau 1 : Taux des différents échanges thermiques entre le corps humain et son environnement [9].

La température du corps humain est maintenue quasi constante, ce phénomène physiologique est dû à un échange permanent d’énergie entre l’individu et le milieu environnant à son système de thermorégulation, [4] [8].

I-1-1 Paramètres du confort thermique

Selon le travail de Fanger, le confort thermique dépend généralement de six paramètres qui sont la base des échanges thermiques entre l’homme et son environnement, [6] : deux paramètres qui sont liés à l’occupant et quatre paramètres qui dépendent de l’architecture du bâtiment. Ces paramètres sont tous non-négligeables pour une bonne conception du confort thermique d’un habitat.

Le tableau 2 donne les paramètres du confort thermique, [8] [9].

Par ailleurs, des nouveaux critères de confort sont établis. Ce sont le pourcentage prévisible d’insatisfaits (PPD) et l’indice de vote moyen prévisible (PMV). Le PMV est le résultat obtenu à partir d’un avis moyen d’un groupe de personnes importantes sur la sensation du confort en se référant à une échelle. La figure 1 montre l’échelle de référence pour la mesure du PMV.

Le PPD donne en fonction du PMV le pourcentage des personnes insatisfaites, [8]. La figure 2 montre la courbe du PPD en fonction du PMV, [8].

I-1-2 Température de confort

Pour déterminer la température de confort, il existe différents modèles selon les auteurs. Il y a le modèle de Dear et Brager, mais aussi celui d’Humphreys en 1978. Selon Humphreys, pour un bâtiment à ventilation naturelle, la température de confort est donnée par, [11] :

Tc = 11.9 + 0.53 T0 (2)

Si TC est la température de confort, T0 : la température moyenne mensuelle de la température de l’air extérieur. Selon El Mankibi, l’intervalle de confort autour de TC est donné par, [10] : ∆TC = −0.19 TC + 6.34 (3)

ΔTC étant la limite supérieure de l’intervalle de confort qui correspond à 90 % d’acceptabilité. D’où :

Tc − ∆TC ≤ Tc ≤ Tc + ∆TC (4)

En général, c’est à l’aide de la température de l’air que l’on vérifie si le confort est bien établi ou non à l’intérieur du bâtiment, c’est alors l’élément le plus important, [2]. La température ressentie par le corps humain est différente de la température de l’air. C’est la température résultante ou encore température opérative. Pour une humidité donnée et en l’absence du courant d’air c’est-à-dire une vitesse d’air inférieure à 20 cm/s, la température ressentie s’obtient par la moyenne entre la température de l’air et la température des parois, [4] [8].

To = (Ta + Tp)/2

Au sommaire:

TABLE DES MATIERES

TABLE DES MATIERES

NOMENCLATURE

LISTE DES ACRONYMES
LISTE DES FIGURES
LISTE DES TABLEAUX

INTRODUCTION GENERALE

Chapitre I : TRANSFERT THERMIQUE DANS UN HABITAT

I-1 Confort thermique
I-1-1 Paramètres du confort thermique
I-1-2 Température de confort
I-1-3 Confort hygrométrique
I-2 Formulation des lois de transfert de chaleur dans un bâtiment
I-2-1 Transfert thermique par rayonnement
I-2-2 Transfert thermique par conduction
I-2-3 Transfert thermique par convection

Chapitre II : DISPOSITIF EXPERIMENTAL

II-1 Présentation du site
II-1-1 Dimensions de la cellule expérimentale
II-1-2 Matériaux de construction de la cellule
II-1-3 Climat et environnement
II-2 Instrumentation de la cellule expérimentale
II-2-1 Types de mesure
II-2-2 Mise en place des appareils de mesure
a) Capteur de température de surface
b) Capteur de température de l’air
II-3 Acquisition des données
II-3-1 Prélèvement des données des capteurs
a) Méthode de prélèvement
b) Montage des ds18b20
c) Montage du DHT11
II-3-2 Prélèvement des données météorologiques

Chapitre III : MODELISATION DU TRANSFERT THERMIQUE

III-1 Outils de modélisation
III-1-1 Sketchup
III-1-2 OpenStudio
III-1-3 EnergyPlus
III-2 Étapes des simulations
III-3 Simulations avec EnergyPlus
III-3-1 Modèles de calculs choisis
III-3-2 Horaire
III-3-3 Gain en chaleur
III-3-4 Infiltration d’air dans la cellule

Chapitre IV : RESULTATS ET INTERPRETATION

IV-1 Présentation des résultats
IV-1-1 Données météorologiques
IV-1-2 Présentation des températures
IV-2 Interprétation des résultats
IV-2-1 Sollicitation climatiques
a) Irradiation solaire incidente
b) Température de l’air extérieur
IV-2-2 Température des surfaces internes
IV-2-3 Température de l’air intérieur
IV-3 Discussions

CONCLUSION
REFERENCES
ANNEXES