Modélisation Et Optimisation De Cheminée Solaire … · Remerciements Nous tenons à exprimer notre gratitude et remerciement à ALLAH qui nous a donné la force et le pouvoir pour

UNIVERSITE KASDI MERBAH OUARGLA

Faculté des Sience Appliquée

Département Génie Mécanique

Mémoire

Présenté pour l’obtention du diplôme de

MASTER ACADEMIQUE

Spécialité Génie Mécanique

Option : Génie Energetique

Présenté par :Ballah Farid & Tedjini Belal

Thème

Soutenu publiquementle : 02 /06/2016

Devant le jury :

Mlle. Rahmouni Soumia MAB Président UKM Ouargla

Mlle. Saifi Nadia MCB Encadreur UKM Ouargla

Mr. Belkhir Negrou MCB Examinateur UKM Ouargla

Année Universitaire : 2015 /2016

Modélisation Et Optimisation De CheminéeSolaire Dans Un Bâtiment Résidentiel

Remerciements

Nous tenons à exprimer notre gratitude et remerciement à ALLAH qui

nous a donné la force et le pouvoir pour effectuer ce modeste travail.

Je tiens à exprimer ma profonde reconnaissance au directeur de mémoire

Mademoiselle Nadia SAIFI maître assistante à l’universitéd’Ouargla pour son suivi,

sa patience, sa disponibilité, ses nombreux conseils et ses critiques constructives pour

l’élaboration de ce travail.

Mes remerciement vont également à tous ceux qui ont contribué, de prés ou de loin à

l’accomplissement de ce travail, et en particulier

Mademoiselle Soumia Rahmouni, maitre assistant à l’université kasdi Merbah Ouargla,

de m’avoir fait l’honneur de présider mon jury Mon sieur Belkhir Negrou, maitre assistant à

l’université kasdi Merbah Ouargla, de m’avoir fait l’honneur de présider mon jury de ce travail, et

pour ses encouragements ses conseils et son aide surtout dans la partie de la simulation .

J’adresse mes vifs remercîments à tous mes enseignants, qu’ils ont contribués à ma

formation , leur encouragement et leur aide.

Mes remerciements vont également à mes collègues de génie des mécanique, à mes

collègues de la faculté .

Enfin je remercie mes amies: pour leur soutien moral et leur aide, ainsi que tous ce qui

m'ont soutenu et aidé tout au long de cette étude .

DédicaceA mes parents

A ma grande mère

A mes frères et sœurs

A tous mes amies

Je dédie ce travail

SOMMAIREREMERCIEMENTDEDICACESSOMMAIRELISTE DES FIGURESLISTE DES TABLEAUXNOMENCLATUREIntroduction générale…………………………………………………………………………………01

Chapitre I . Contexte Energétique

I.1 Introduction ……………………………………………………………………………….02I.2 Notion d’économie d’énergie ……………………………………………….....................03I.3. Consommation mondiale de l’énergie…………………………………………………….03I.4. Contexte énergétique en Algérie…………………………………………………………..03I.5 Consommation énergétique en Algérie …………………………………………………….05I.6 Consommation énergétique en Ouargla ……………………………………………………06I.6.1. Consommation d’électricité……………………………………………………………...06I.6.2. Consommation de gaz……………………………………………………………………06I.7 Zones climatiques en Algérie……………………………………………………………...07I.8 Réglementation Algérienne…………………………………………………………………08I.9 Conclusion…………………………………………………………………………………..09

Chapitre II .L’architecture et le confort thermiqueΠ.1.Introduction……………………………………………………………………………..10II.2. Relation architecture-climat…………………………………………………………...10II.3. Les élements de climat…………………………………………………......................11

II.3.1La température de l’air……………………………………………………………...11II.3.2 L’humidité de l’air………………………………………………………………….11II.3.3 Le vent………………………………………………………………………………12II.3.4L’inertie thermique………………………………………………………………….12II.3.5 Rayonnement solaire……………………………………………………………….12

II.4 confort…………………………………………………………………………………...13II.4.1 Le confort visuel……………………………………………………….…………..13II.4.2 Le confort acoustique…………………………………………………..………….14II.4.3 Le confort respiratoire………………………………………………………..……15II.4.4Le confort thermique………………………………………………………………..15

II.5 Sensation et le confort………………………………………………………………….15II.5.1 L’aspect physiologique (la thermorégulation ) …………………..………………15II.5.2 L’aspect physique (les échanges de chaleur) ……………………………………..16II.5.3 L’aspect psychologique (sensation thermique ) ………………………………….16

II.6. Les paramètres effectuant du confort thermique……………………………………..16II.6.1 Les températures……………………………………………………………………17II.6.2Humidité relative (HR%)………………………………………………………......17II.6.3 La vitesse de l’air (Va ,m/s) ……………………………………………………….17II.6.4. Le métabolisme…………………………………………………………………….17II.6.5 L’habillement…………………………………....................................................18

II.6.5.1Effet dû à la conduction………………………………………………………..18II.6.5.2 Effet dû à la convection…………………....................................................18

II.6.5.3 Effet dû à la radiation…………………………............................................18II.6.5.4 Effet dû à l’humidité……………………………….......................................18

II.7. Données climatiques et le confort………………………………………………….....19II.7.1 Classification du climat en Algérie…………………………...............................19II.7.2 Climat de la région d’Ouargla…………………………………………………......20

II.8. Architecture traditionnelle…………………………………………………................21II.8. 1 L’habitat traditionnelle on Algérie………………………………………………..21

II.8. 1.1 Ksour (tissu compact) ……………………………………………….............21II.8. 1.2 Le ksar de Ouargla…………………………………………………………….21

II.9. L’habitat actuelle en Algérie………………………………………………….............23II.9.1 Définition de l’habitat……………………………………………………………...23II.9.2 Classification de l’habitat en Algér……………………………………………….................23

II.9.2.1 Caractéristique de l’habitat collective……………………………………......................24II.9.2.2 Caractéristique de l’habitat individuelle………………………………………………..24II.9.2.3 Espaces extérieurs…………………………………………………………......................24II.9.2.4 Les façades…………………………………………………………….…………………24

II.10. Technique et solution climatique……………………………………………………………….25II.10.1. Les surfaces vitrées…………………………………………………………………...........25II.10.2. La véranda……………………………………………………………….............................26II.10.3. La végétation……………………………………………………………………..................27II.10.4. Puits provençal………………………………………………………………………………27II.10.5. La ventilation………………………………………………….........................................28

II.10.5.1 La ventilation mécanique…………………………………............................................28II.10.5.2. La ventilation naturelle………………………………..............................................29II.10.5.3. Les systèmes mixtes de ventilation……………………………..................................29

II.10.6. L’isolation thermique………………………………................................................................29II.10.7. La cheminée solaire…………………………………...............................................................29

II.10.7.1. Cheminée solaire verticale…………………………………………..………………..30II.10.7.2. Cheminée solaire inclinée………………………………..............................................31

II.11. Conclusion…………………………………………………………………………………………31

Chapitre III . Résultats et DiscussionsIII.1 introduction………………………………………………………………………………………..32III.2 Modèle physique………………………………………………………………………………….32III.3 Les hypothèse…………………………………………………………………..….........................33

III.4. Les équations régissantes……………………………………………………………………..33III.4.1. Equation de continuité………………………………………………………….....................33III.4.2. Equation de conservation de quantité de mouvement……………………………….........33

III.4.3. Equation de l’énergie…………………………………………………………………………..34III.4.4. Les modèles de turbulence………………………………………………………….............34III.4.5. Modèle k-ε……………………………………………………………………………….…..34

III.5. Génération de maillage…………………………………………………………………..............35III.6. Validation des résultats………………………………………………………………...………...36III.7. Résultats obtenus dans le cas de la géométrie simple……………………….....................38

III.7.1. Effet de l'intensité de rayonnement solaire………………………………………………...38III.8 Etude paramétrique …………………………………………………….......................................41

III.8.1. Le taux de rapport entre la largeur de la cheminée et de la cavité………………..............41III.8.2. champ thermique et dynamique……………………………………………..........................42

III.9.Cas de géométrie complexe (trois cavités superposés) …………………………………..45III.9.1. champ thermique et dynamique…………………………………………………………….47

Liste des figuresFigure I.1: Répartition de la consommation énergétique mondiale selonles ressources en2013………………………………………………………………………….03Figure I.2 : Production, consommation, exportation et réserves de pétrole enAlgérie de 1980- 2012…………………………………………………………………………04Figure I.3 : Consommation, exportation et réserves de gaz en Algérie de 1980 à 2012……..04

Figure I.4: la consommation d’énergie par secteur en Algérie(2010-2014)…………………..05

Figure I.5: structure de consommation d’énergie en Algérie -2014-..................................05Figure I.6:La consommation de électricité dans Ouargla (2010-2015)…………………..06Figure1.7:La consommation de gaz dans Ouargla (2010-2015)………………………….06Figure1.8: Zonage climatique de l’Algérie adapté aux besoins de la réglementation thermique dans lebâtiment…………………………………………………………………………………07Figure II.1 : l’effet de l’humidité dans le batiment………………………………………………………11

Figure II.2 : Principe de l’inertie : capacité thermique, diffusivité , effusivité. …………………………..12

Figure II .3 : les coleur des paroi………………………………………………………………………...13Figure II.4 : Confort visuel………………………………………………………………….…...........14Figure II.5 : la source extérieurs et intérieurs de pollution………………………………………………14Figure II .6 : Interaction thermique entre le corps humain et son environnement. …………….....18Figure II .7 : Classification du climat en Algérie……………………………………………………19Figure II.8 : Interprétation des données climatiques de la région d’Ouargla (2004-2014)..……..20Figure II.9 : le ksour de Ouargla……………………………………………………………...................23Figure II.10 : l’espace extreur d'lhabita ………………………………………………………………...24Figure II.11 : la façade de l’habitat individuelle………………………………………………….....25Figure II.12 : les types de surface vitre………………………………………………………………….26Figure II.13: la position de véranda ………………………………….…………………………….......27Figure II.14 :les différents effets de la végétation……………………………………………….……......27Figure II.15 : Puits provençal oucanadien……………………………………………………...…….28Figure II.16 : les différents procédés de l’isolation……………………………………………………....29FigureII17 :une cheminée solaire verticale………………………………………………………..30Figure. II.18 :une cheminée solaire inclinée………………………………………………………31Figure III.1: Schéma générale de domaine physique. ………………………………………...……32Figure III.2: processus de génération d’un maillage dans le –GAMBIT…………………..…...35Figure III.3 : Le maillage utilisé……………………………………………………………….……..36Figure III.4 :Comparaison de la variation de paramètre ACH en fonctionde la variation de l’intensité Solaire………………………………………………………………...37Figure III.5 Champs dynamique et thermique pour intensité de 300 W/m2pour une longueur 0.85m et largeur 0.1 m……………………………………………………………….38

Figure III.6 : Champs dynamique et thermique pour intensité de 500 W/m2pour une longueur 0.85m et largeur 0.1 m……………………………………………………………….38

Figure III.7 : Champs dynamique et thermique pour intensité de 700 W/m2 pour unelongueur0.85m et largeur 0.1 m………………………………………………………………...……39

Figure III.8 : Comparaison de profil de température à l’intérieur de la pièce pourdifférent rayonnement. ……………………………………………………………………………...…40Figure III.9 : variation de ACH en fonction de l’intensité solaire…………………………….…...41Figure III.10 : la géométrie de rapport entre la largeur de la cheminée et de la cavité……….…...41Figure III.11 : Champs dynamique et thermique pour intensité de 300 W/m2

pour une pourcentage de 5 %……………………………………………………………………..……42Figure III.12 : Champs dynamique et thermique pour intensité solaire de 300 W/m2pour une pourcentage de 10 %………………………………………………………………...........…...42Figure III.13 : Champs dynamique et thermique pour intensité solaire de 300 W/m

pour une pourcentage de 15 %………………………………………………………………………...…43

Figure III.14 Champs dynamique et thermique pour intensité de 300 W/m2pour une pourcentage de 20 %…………………………………………………………………………….43Figure III.15 Champs dynamique et thermique pour intensité de 300 W/m2pour une pourcentage de 25 %……………………………………………………………………………44Figure III.16Champs dynamique et thermique pour intensité de 300 W/m2pour une pourcentage de 50 %.…………………………………………………………………………..44Figure III.17. : Variation d'ACH en fonction de différent pourcentage……………………………….45Figure III.18. Le domaine du cas de géométrie complexe (trois cavités superposés) ……………….46Figure III.19. : Le maillage utilisé……………………………………………………………………….46Figure III.20. : Champs dynamique thermique pour intensité de 300 W/m2pour une cas de multi étage……………………………………………………………………………….47

Liste des tableauxTableau I.1: intervalles de climatisation et de chauffage……………………………………………………………………..08

TableauIII.1:Variation de température de vitre et d’absorbeur en fonction de l’intensité solaire…...35

Tableau III.2: Variation d'ACH en fonction de l’intensité solaire……………………………………...37

Tableau III.3: Variation d'ACH et le début volumique en fonction de l’intensité solaire……………40

Tableau III.4:Variation d'ACH et le début massique sorite de cheminée et la chambre……………....45

Tableau III.5 :Variation d'ACH et le début massique et volumique sortie dans la cavité…………......47

NOMENCLATURE

Symboles Grandeurs Unités

H: Hauteur de cheminée m

T: Température K

P: Pression atm

D: Diamètre m

Q: Débit volumique m3/h

ACH : Air changé par heure 1/h

Cp : Capacité calorifique massique J/ .

I : Intensité de rayonnement solaire W/m2

h: Coefficient d’échange convectif W/m2.K

S: Surface d’échange thermique m2

β: coefficient de dilatation thermique volumétrique de l’air K-1

ρ: Masse volumique kg/m3

μ: viscosité dynamique kg/s.m

υ: Viscosité cinématique m2/s

φ: Flux thermique W

ε : Dissipation d’énergie turbulente

λ: Conductivité thermique W/m.K

K: Energie cinétique turbulente

U : Vitesse d’écoulement m/s

Mth : Méga-thermie

GWh : Giga Watt heure

Ktep : Kilo tonne équivalent pétrole

MP : Moyen Pression

MT : Moyen Tension

INTRODUCTION GENERALEL’augmentation du prix de l’énergie a suscité l’intérêt d’utiliser des sources

d’énergie gratuite et inépuisable comme le rayonnement solaire. Une moitié de la

consommation d'énergie dans les bâtiments est liée à la climatisation.L’épargne de l’énergie

des systèmes de chauffage, ventilation, et climatisation sera réalisée en installant des systèmes

efficaces d'énergie, tels que des pompes à chaleur. À la même heure, l’application des technologies

d'énergie renouvelable devrait être entièrement étudiée à l'étape de conception pour réduire au

minimum le chauffage et les charges de refroidissement du bâtiment.

Concernant la consommation de l’énergie en Algérie, le secteur ménages et autres

a atteint un taux de 42 %, suivi du secteur des transports de 37% et enfin le secteur industriel

et BTP avec21% en 2014.La consommation d’énergie finale par habitant est de 0.48 TEP en

1990 et passera à 1.35 TEP en 2010(IMME, 2014).

La forte demande actuelle de consommation énergétique en Algérie est due

principalement à l'augmentation du niveau de vie de la population et du confort qui en

découle, ainsi qu'à la croissance des activités industrielles (Foura S, 2007). En Algérie, le

secteur du bâtiment est le secteur le plus énergivore.

Le confort thermique visé à l’intérieur des constructions est en fait une principale

exigence pour le comportement morale et physique de l’individu. Il est estimé essentiellement en

fonction des paramètres climatiques extérieurs . Dans les zones semi-arides et arides tel que la

région de Ouargla , les besoins de chauffage en hiver sont faibles, bien que réels, mais les besoins

de refroidissement, en été, sont beaucoup plus importants .

L’architecture traditionnelle a apporté des solutions liées aux problèmes d’adaptation

climatique, mais actuellement l’architecture doit aussi répondre aux exigences de la vie moderne.

Les systèmes de refroidissement traditionnels doivent être révisés et améliorés pour pouvoir

répondre de manière adéquate aux exigences du confort thermique dans les constructions

actuelles dans les régions arides.

La ventilation naturelle est un des moyens déjà utilisés auparavant dans l’architecture

des villes traditionnelles au sud de l’Algérie, Ksours et médinas sont des exemples vivants où

l’équilibre et l’harmonie avec le climat sont les éléments essentiels de sa composition. Pour

réduire l’utilisation de l’électricité des dispositifs de climatisation, les techniques de

refroidissement passives sont devenus plus attractive ces dernières années ce qui justifie leur

exploitation sous d ifférentes formes.

Les cheminées solaires sont un genre de technologies d' énergie renouvelable, qui

augmentent la ventilation naturelle dans les bâtiments. Elle se compose habituellement d’une

vitre, d'une cavité, et d'un mur massif qui absorbe l'énergie solaire. L'air dans la cheminée

est réchauffé par l'énergie solaire, et coule vers le haut en raison de la force d’Archimède.

Cela peut être une force d'entraînement pour amplifier la ventilation naturelle.

Dans ce présent travail, on s’intéresse à la ventilation et le rafraichissement naturel par

les cheminées solaires verticales.

L’objectif principal de notre étude est de faire une simulation numérique pour

déterminer le champ thermique et dynamique qui assure les débits d’air important afin de

mettre les valeurs optimales de l’ACH. Pour atteindre cet objectif, nous avons réalisé une

simulation à l’aide d’un code de calcul(Fluent).

Le travail présenté dans ce document comporte trois chapitres . Le premiére chapitre présente

le contexte énergétique nationale et dans la Wilaya de Ouargla surtout la consommation de

l’énergie dans le secteur du bâtiment afin de comprendre le comportement thermique de la

structure du bâtiment .

Le deuxiéme présente lesdifférents types de confort, et les techniques de conforts employées

dans l’habitat traditionnel ,ainsi que la conception bioclimatique.

Le troisiéme chapitre englobe les interprétations et les résultats de simulation numérique

de l’écoulement dans la configuration étudiée afin de bien comprendre des phénomènes qui

régissent le transit d’air. Pour mener à bien, une confrontation et une validation avec des données

publiées, disponibles, expérimentales et théoriques ont été effectuées .

Et finalement on a clôturé ce travail par une conclusion générale.

ChapitreI

ContexteEnergétique

Chapitre I Contexte Energétique

2

I.1 Introduction

A l'échelle nationale, le secteur résidentiel est considéré comme étant le secteur le

plus énergivore, il présente 42% de la consommation finale (Djelloul A, 2013). L’Algérie doit

faire face à un problème énergétique croissant lié à l’évolution de sa démographie. En effet,

que ce soit dans le secteur du logement, le secteur tertiaire ou autre, les besoins en énergies

fossiles ou renouvelables sont proportionnels à l’évolution de la population. Dans le domaine

du bâtiment, le nombre de constructions en logements ou en bâtiments tertiaires est amené à

augmenter considérablement

Ce chapitre permet de présenter la consommation énergétique du secteur du bâtiment

dans le monde et en Algérie. Ainsi, nous rappelons le contexte énergétique du secteur du

bâtiment en Algérie

I.2 Notion d’économie d’énergie

Dans les pays en développement, l’énergie est un des facteurs déterminants pour la

survie des populations : elle est nécessaire à toute activité humaine et indispensable à la

satisfaction des besoins quotidiens (eau, nourriture, santé,…) mais également pour assurer un

minimum de développement économique et social .

Une exigence de confort d’été plus stricte peut impliquer le recours à la climatisation,

et donc induire une augmentation de la consommation d’énergie et des impacts qui en

découlent. La gravité des problèmes environnementaux est maintenant patente et il n’est plus

raisonnable d’ignorer les conséquences environnementales des décisions que nous prenons

(benhalilou karima, 2002). Le secteur du bâtiment contribue de manière importante à ces

problèmes. Il est donc nécessaire de recourir, autant que possible, aux outils d’aide à la

décision et aux technologies qui permettent de réduire les impacts environnementaux des

bâtiments.

I.3. Consommation mondiale de l’énergie

La demande d’énergie primaire mondiale était satisfaite en 2013 à plus de 87% par les

énergies fossiles. Le pétrole est la première source d’énergie, assurant 33% des besoins

mondiaux, suivi par le charbon 30% et le gaz 24%. Les énergies renouvelables satisfont quant

à elles 13 % de la demande, dont 6 % pour l’hydraulique. La part du nucléaire dans la

consommation d’énergie primaire s’établit à 4 % (BP, 2014) (figure I .1).


3

Figure I.1: Répartition de la consommation énergétique mondiale selon les ressources en2013 (BP, 2014).

I.4. Contexte énergétique en Algérie

L’Algérie, possède d’importants gisements en pétrole et en gaz, décide de nationaliser

son secteur pétrolier ainsi que la maîtrise et le contrôle des ressources pétrolières et gazières

en février 1971. Le gaz naturel qui constitue 60% de ses réserves en énergie fossile, alimente

à hauteur de 30% de ses revenues en devises, d’où la nécessité d'une réglementation de

maîtrise de l'énergie s’impose en faisant valoir les arguments suivants:

La préservation des ressources énergétiques conventionnelles ;

La réduction des coûts des investissements énergétiques, notamment en matière de

chauffage et de climatisation ;

La réduction de l’impact des énergies fossiles sur l’environnement.

L’Algérie, pays producteur et exportateur de pétrole et de gaz a connu une nouvelle

politique nationale des hydrocarbures.

Le graphique suivant présente l’évolution de la production, la consommation,

l’exportation et les réserves de pétrole pour la période allant de 1980 à 2012.


3
















33%

24%

30%

4%

7%

1%0% 1% 0%


3
















pétrole

gaz

charbon

nucléaire

Hydro

éoliene

solaire

géothermique etbiomasse


4

Figure I.2 :Production, consommation, exportation et réserves de pétrole en Algérie

de 1980 à 2012 [21].

La production de pétrole en Algérie atteint le niveau de 60.32 Mtep en 1980 et de

115.36 Mtep en 2012 soit un taux de croissance de 91.23%. Cette augmentation est due

principalement à la hausse de la demande mondiale en produits pétrolières. L’Algérie est un

pays gazier plus que pétrolier dans la mesure où les réserves de gaz sont nettement plus

importantes que celle du pétrole. L’évolution de la production, la consommation,

l’exportation et les réserves de gaz pour la période allant de 1980 à 2012 est présentée sur le

graphique suivant :

Figure I.3 :Consommation, exportation et réserves de gaz en Algérie de 1980 à 2012

[21].

0

20

40

60

80

100

120

140Q

uant

ité e

n M

tep

Consommation en Mtep

0

20

40

60

80

100

120

Qua

ntité

en

Mte

p

Exportation de gaz en Mtep

Réserves de gaz en Mtep


4


de 1980 à 2012 [21].







graphique suivant :


[21].

Consommation

Exportation

Consommation en Mtep exportation en Mtep réserves en Mtep

Consommation

Exportation

Exportation de gaz en Mtep Consommation de gaz en Mtep

Réserves de gaz en Mtep


4


de 1980 à 2012 [21].







graphique suivant :


[21].

020040060080010001200140016001800

rése

rves

en

Mte

p

réserves en Mtep

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

Rése

rves

de

gaz

en M

tep

Consommation de gaz en Mtep


5

En 2012, les réserves prouvées de gaz naturel atteignaient 4087.40 Mtep propulsant

l’Algérie au 9ème rang mondial des pays disposant des plus importantes réserves de gaz

naturel.

I.5 Consommation énergétique en Algérie :

Figure I.4: la consommation d’énergie par secteur en Algérie(2010-2014) [23]

L’analyse de l’histogramme de l’évolution de consommation d’énergie par secteur

d’activité en Algérie pendant le période 2010 à 2014 met en lumière l’augmentation de

consommation d’énergie dans le secteur ménages et transport au cours des années , et la

fluctuation de la consommation pour le secteur industrielle. Ceci reflète notamment

l’amélioration du niveau de vie des citoyens par l'utilisation excessive d'équipements de

confort tels que la climatiseur ,le chauffe d'air et d'autres.

Figure I.5: structure de consommation d’énergie en Algérie 2014[23]

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000Ktep

année

mé

tra

ind

transport37%

ménages etautres42%

industrie21%


6

Par graphique analyse des circuits de la consommation d'énergie en Algérie en 2014,

nous notons le contrôle du secteur résidentiel , la plus grande proportion de la consommation

d' énergie et cela est dû à l'évolution de la vie des citoyens au cours des dernières années , et

leur quête d'un repos, puis en utilisant des machines électroménager consommation

d'électricité et de gaz , tels que les climatiseurs et les appareils de chauffage .

I.6 Consommation énergétique en Ouargla :

Les figures suivent représente la consommation d'électricité et de gaz dansla ville de Ouargla pendant le période (2010 à 2015)

I.6.1Consommation d’électricité :

Figure I.6:La consommation de électricité dans Ouargla (2010-2015)[24]

I.6.2 Consommation de gaz :

Figure I.7:La consommation de gaz dans Ouargla (2010-2015)[24]

050,000,000

100,000,000150,000,000200,000,000250,000,000300,000,000350,000,000400,000,000450,000,000500,000,000

2010

GWh

100,000,000

200,000,000

300,000,000

400,000,000

500,000,000

Mth


6












2010 2011 2012 2013 2014 2015

0

100,000,000

200,000,000

300,000,000

400,000,000

500,000,000

2010 2011 2012 2013 2014 2015


6












2015année

la misonindestrieMT

2015 année

la mison

indestrie

MP


7

L’analyse de l’histogramme de l’évolution de consommation d’électricité et de gaz

par secteur d’activité en Ouargla pendant le période 2010 à 2015 illustré l’augmentation de

consommation d'électricité et de gaz dans différents secteurs avec le secteur du logement la

plus grande proportion , en particulier la consommation de gaz et en raison de l' évolution de

la vie de la population et de leur empressement à gagner l'acquisition de confort d'appareils

grand public pour le gaz et l'électricité .

I.7 Zones climatiques en Algérie

Les travaux de zonage climatique ont été réalisés (Ghedamsi R, 2015). Le territoire

Algérien a été subdivisé en zones climatiques homogènes en se basant sur l’analyse des

données climatiques enregistrées par 60 stations météorologiques sur la période de 1999-2008

(10 ans).

un zonage climatique unique pour les besoins de la réglementation thermique a été

réalisé avec des fichiers climatiques annuels journaliers, sur la base des besoins

thermiques annuels de chauffage et de climatisation des bâtiments dans 48 station

météorologique

La figure (1.8) présente la carte représentant le zonage climatique adapté aux besoins

de la réglementation thermique dans le bâtiment :


7











(10 ans).




météorologique




7











(10 ans).




météorologique




8

Figure I.8: Zonage climatique de l’Algérie adapté aux besoins de la réglementation

thermique dans le bâtiment (Ghedamsi R, 2015).

Afin de déterminer la consommation d'énergie dans chaque zone pour le refroidissement

et le chauffage la carte géographique de l’Algérie sera divisée en sept zones pour le zonage de

refroidissement et en trois zones pour le zonage de chauffage.

Tableau I.1: intervalles de climatisation et de chauffage (Ghedamsi R, 2015).

Intervalles(€/m2)

zones Climatisation chauffage

zone 1 3,821 - 4,451 0,008 -0,024

zone 2 3,191 - 3,821 0,024 - 0,040

zone 3 2,561 - 3,191 0,040 - 0,056

zone 4 1,931 - 2,561 -

zone 5 1,302 - 1,939 -

zone 6 0,672 - 1,302 -

zone 7 0,042 -0,672 -

I.8 Réglementation Algérienne

La mise en application de la loi 99.09 relative à la maîtrise de l’énergie dans le secteur

du bâtiment s’est concrétisée par la promulgation le 24 avril 2000 d’un décret exécutif

n°2000-90 portant réglementation thermique dans les bâtiments neufs. Celle-ci a pour objectif

l’introduction de l’efficacité énergétique dans les bâtiments neufs à usage d’habitation et

autres et dans les parties de constructions réalisées comme extension des bâtiments existants.

Les DTRC (Directives Thermique Réglementation C) initiés par le ministère de l’habitat et

mis en œuvre par le CNERIB (Centre National d’ Études et Recherches Intégrées du Bâtiment

crée par décret n° 85-235 du 25 Août 1985). Ces documents qui sont destinés uniquement aux

bâtiments à usage d’habitation, mentionnent entre autre les exigences réglementaires que

doivent satisfaire leurs enveloppes à savoir :

Le DTR.C 3-2 qui établit les règles de calcul des déperditions calorifiques d’hiver

pour les bâtiments à usage d’habitation.

Le DTR.C 3-4 relatif aux règles de calcul des apports calorifiques d’été pour les

bâtiments à usage d’habitation.

Le DTR.C 3-31 relatif à la ventilation naturelle des locaux à usage d’habitation.


9

(Sakhraoui S, 2002).

I.9 Conclusion :

L’augmentation de la demande d’énergie est évaluable suivant diverses hypothèses, sa

répartition géographique connue et les sources énergétiques identifiées. Un ensemble de voies

est à explorer pour élaborer des solutions satisfaisantes à des degrés divers. Tous ces éléments

significatifs renforcent l’urgence de la mise en œuvre de la notion de développement durable

dans les activités humaines. La réflexion sur la maîtrise de l’énergie et sur la mise en œuvre

d’énergies nouvelles renouvelables doit en permanence.

Ce chapitre montre que l’Algérie doit faire face à plusieurs défis dans le futur. Elle

doit surtout repenser le problème de l’énergie dans sa globalité et prendre conscience de ses

possibilités d’économies d’énergie.

Chapitre

II

l’archetecture

et

le confort thermique

Chapitre II L’architecture et le confort thermique

10

II.1Introduction:

Le confort thermique est défini comme un état de satisfaction vis-à-vis de

l’environnement thermique . Il est déterminé par l’équilibre dynamique établi par échange

thermique entre le corps et son environnement .

L’adaptation de l’habitat à l’égard du rayonnement solaire et des facteurs climatique

en général se faisait de manière naturelle, les villes sahariennes et méditerranéennes, les

villages chinois enfoncés dans le sol ont toujours étonné par leur fraîcheur [3].

L’architecture traditionnelle a apporté des solutions liées aux problèmes d’adaptation

climatique, mais actuellement l’architecture doit aussi répondre aux exigences de la vie

moderne. Les systèmes de refroidissement traditionnels doivent être révisés et améliorés pour

pouvoir répondre de manière adéquate aux exigences du confort thermique dans les

constructions actuelles dans les régions arides [1].

La maîtrise des consommations d’énergie dans les bâtiments repose, d’une part, sur

des actions comportementales qui relèvent principalement de l’information et de la formation

des acteurs et d’autre part, sur la mise en œuvre de techniques ou procédés spécifiques qui,

tout en préservant le service ou le confort rendu, visent à réduire les consommations d’énergie

de façon pérenne.

Dans ce chapitre, nous exposerons la relation entre le climat et l'architecture. Cette

partie est consacrée à la notion du confort dans le bâtiment, on traite les différents types du

confort dans le bâtiment hygrothermique, visuel et thermique et nous définissons les différents

facteurs qui contribuent au confort.

II.2.Relation: architecture-climat :

De tous temps,l’homme a essayé de tirer parti du climat pour gagner du confort

et économiser l’énergie dans son habitation . Aujourd’hui,des règles d’adaptation

l’environnement, à l’architecture et aux climats permettent d’allier une tradition millénaire

et des techniques de pointe.

De nos jours, les exigences du confort augmentent et se multiplient de plus en plus et

les concepteurs semblent avoir négligé la fonction d’adapter le bâtiment au climat et à la

maîtrise de l’environnement intérieur et extérieur. Ils ont confié le soin à la technologie de

créer un environnement artificiel.

En considérant l’architecture dans ce domaine comme une solution unique pour le


11

probleme de climatisation, celle-ci doit intervenir avec tous ses détails (forme ,matériaux ,

répartition des ouvertures) et ses structures intérieure . L’architecture doit être étudiée en

fonction du climat et s’adaptée à son environnement le plus proche en utilisant des

matériaux locaux pour réessire à climaté avec les elements suivants : la température, le vent,

l’humidité, et le rayonnement solaire….,etc[3].

II.3 Les éléments de climat:

II.3.1 La température de l’air:

C’est un paramètre qui a une influence prépondérante sur la quantité d’énergie

nécessaire pour maintenir par chauffage ou refroidissement une température d’air intérieure

plus confortable que celle de l’extérieur. Techniquement,la température est un caractère

thermodynamique de l’air déterminé par le taux d’échauffement et du refroidissement de la

surface de la terre, donc elle dépend du rayonnement du soleil qui chauffe la terre le jour et du

rayonnement nocturne qui la refroidit la nuit[4].

II.3.2L’humidité de l’air:

L’humidité atmosphérique représente la quantité de vapeur d’eau continue dans

l’atmosphère; cette quantité est le résultat de l’évaporation des surfaces des océans, des

surfaces humides, de végétation , des petites masses d’eau , les pluies tombent et à partir de

sources externes à son impact sur les bâtiments, ainsi que des taux d’humidité élevé (par les

institutions des murs ou sous le plancher)[4].

Figure II.1: l’effet de l’humidité dans le batiment.


11






















11






















12

II.3.3 Le vent:

Le vent est un facteur climatique important dans la détermination des besoins en

énergie d’un bâtiment [5].

Il influence le taux d’infiltration d’air du bâtiment et une action souvent déterminante

dans les transferts de chaleur à la surface des parois des constructions, pour la ventilation des

locaux et sur la qualité des espaces extérieurs et intérieurs alors important de connaître ses

caractéristiques, sa vitesse moyenne, sa direction et son intensité, Augmentant ainsi leur

impact sur les toits des bâtiments [6].

II.3.4 L’inertie thermique:

L’inertie thermique d’un bâtiment est sa capacité à stocker et à restituer de la chaleur.

L’inertie thermique d’un espace dépend des caractéristiques des matériaux qui le

composent. Selon leur capacité thermique, leur diffusivité et leur effusivité, les parois auront

des comportements différents face au rayonnement solaire et à la chaleur. Les matériaux en

contact avec l’espace intérieur sont ceux qui auront le plus d’impact (accessibles aux

échanges de chaleur).

Combinée à une ventilation permettant la décharge thermique de la chaleur accumulée

dans le bâtiment, une inertie élevée permet d’éviter les surchauffes en été et d’atténuer les

chutes brusques de température en hiver [7].

Figure II.2 : Principe de l’inertie : capacité thermique, diffusivité , effusivité.

II.3.5 Rayonnement solaire:

L’intensité du rayonnement solaire, la couleur et l’orientation des parois sont des

paramètres importants. À propriétés égales (notamment la perméabilité à la vapeur et

l’absorption d’eau), on constate par exemple que plus une paroi est foncée et rugueuse, plus

vite elle se chauffe et plus vite elle sèche[7].


12

II.3.3 Le vent:

























12

II.3.3 Le vent:

























13

Figure II.3 : les coleur des paroi

La course du soleil n’est pas la même en fonction de la saison. Elle évolue entre deux

extrêmes aux solstices d’été et d’hiver.

L’été, on s’approche d’un 3/4 de tour avec un lever au Nord-est et un coucher au Nord-Ouest.

A son Zénith, le soleil y est très haut dans le ciel.

L’hiver, la course solaire se fait sur un quart de tour avec un angle zénithal très bas dans

l’horizon.

Le transfert de chaleur par rayonnement s'effectue sans aucun support matériel. Mais,

une fois émises par le soleil, le rayonnement atteint la surface des corps et subit suivant leurs

caractéristiques certaines transformations.

La densité du flux (W/m2) qui atteint une paroi (densité du flux incident), provient de

trois composantes: la composante directe, la composante diffuse et la composante réfléchie

[8].

II.4.Le confort:

Le confort est une notion étroitement liée à la sensation de bien‐être et qui ne possède

pas de définition absolue.

Au sens général du terme, le confort consiste en tout ce qui contribue, à la sensation

agréable procurée par la satisfaction des besoins physiques, l’absence de tensions

psychologiques.

Il existe divers conforts associés à chacun de nos sens: le confort visuel, le confort

acoustique, le confort olfactif et finalement le confort thermique [9].

II.4.1.Le confort visuel:

Un bon éclairage doit garantir à l’habitant qu’il p uiss exercer ses activités le plus

efficacement possible, en assurant son bien être et en lui apportant un certain agrément

visuel. L’environnement visuel doit per mettre de voir les objets nettement et sans fatigue

dans une ambiance colorée agréable.


13







l’horizon.






[8].

II.4.Le confort:





psychologiques.









13







l’horizon.






[8].

II.4.Le confort:





psychologiques.









14

Le confort visuel peut se définir à partir des conditions d’ éclairage, naturel et/ou

artificiel, satisfaisantes pour permettre l’activité de l’usager. Cela implique un éclairement

lumineux suffisant, une absence d’éblouissement, ainsi qu’un bon rendu des couleurs [2].

Figure II.4 : Confort visuel.

II.4.2.Le confort acoustique:

Le confort acoustique peut être défini comme la sensation de gêne assurée par

l’environnement sonore d’un individu ou d’un groupe d’individus, dont les éléments sont:

l’intensité des sons, la propagation et les temps de réverbération, la durée, la nature et le

contexte (notion d’acceptabilité sociale des bruits).

La durée de réverbération est notée Tr. Elle est définie comme le temps en secondes

mis par un signal pour décroître de 60 dB. Les valeurs habituellement constatées vont de

quelques 1/10èmes à 2 secondes [1].

Figure II.5 : la source extérieurs et intérieurs de pollution.


14















14















15

II.4.3.Le confort respiratoire:

La bonne qualité d’air intérieur traduit par la ventilation est importante pour les

processus métaboliques et pour l’hygiène de chacun. La ventilation et la réduction des

pollutions à la source sont les garantes d’une meilleure respiration et d’une meilleure santé

D’un point de vue pratique, la qualité de l’air à l’intérieur est déterminée par plusieurs

facteurs, la pollution intérieure et extérieure venant par les infiltrations, les activités de

l’homme et les matériaux de bâtiment [1].

II.4.2.Le confort thermique:

Le confort thermique a été défini comme étant la condition dans laquelle aucune

Contrainte significative n’est imposée aux mécanismes thermorégulateurs du corps humain.

Le confort thermique permet l’obtention de conditions optimales pour tous les

systèmes fonctionnels de l’organisme ainsi qu’un haut niveau de capacité’ de travail.

Dans sa définition, le confort thermique est considéré autant qu’une moyenne des

sensations physio-psychologiques perçue par un groupe d’individus soumis à un

environnement identique et ayant une même activité et un habillement semblable.

D’un point de vue physiologique, Givoni donne une définition plus exacte au confort

qui le rattache aux conditions sous lesquelles les mécanismes autorégulateurs du corps sont

dans un état d’activité minimum. Effectivement, s’il y a une diminution de la température

interne, l’organisme frissonne afin de tenter de rapprocher la température à la normale. Au

contraire, s’il y a une augmentation de la température interne, l’excès de chaleur va être

évacué par l’organisme en augmentant sa sudation [9].

II.5.Sensation et le confort:Le corps humain réagit par une interaction dynamique mobilisant un ensemble des

réactions rétroactives, qui permettent de contrôler les échanges thermiques avec

l’environnement. Selon l’intensité des échanges thermiques et des réactions avec le milieu, le

corps peu t éprouver une sensation de fraicheur ou de tiédeur.

L’étude du confort thermique doit être menée en considérant des différents aspects

physiques, physiologiques, et psychologiques [1].

II.5.1 L’aspect physiologique (la thermorégulation):

Le corps humain dispose d’un sens thermique grâce à des détecteurs nerveux. Ils

permettent de lui informer s’il a chaud ou froid en tout lieu de son corps. A chaque


16

changement de l’ambiance, le corps manifeste des dispositifs d’adaptation aux nouvelles

conditions. Le frissonnement, la transpiration et la sudation sont autant de stratégies

métaboliques. Elles assurent la régularisation de la température interne et la préservation du

confort thermique. Berger donne une définition objective du corps humain vis-à-vis des

phénomènes thermiques: « L’être humain est un homéotherme (sa température interne,

constante, voisine de 37°C) qui, pour assurer son activité et sa vie, fabrique des calories et de

l’eau. Il élimine celle-ci par les voies respiratoires ou cutanées. Lorsque son bilan thermique

(c’est-à-dire le rapport entre apports et déperditions) est positif, il a recours au processus de la

transpiration.Il doit donc évaporer l’eau amenée à la surface de la peau. ».

Alors pour garder un bilan thermique neutre, le corps humain doit évacuer vers l’ambiance

une quantité de chaleur égale à celle déjà gagnée. Le processus d’échange s’exprime par

conduction, convection, rayonnement et évaporation [10].

II.5.2 L’aspect physique (les échanges de chaleur):

Le maintien de la température interne du corps humain autour de37°C nécessite

unéquilibre thermique avec son environnement .Pour cela, la haleur produite à l’intérieur du

corps humain est véhiculée à sa surface cutanée doit être compensée par des déperditions de

chaleur dans l’environnement.Si la chaleur produite dans le corps dépasse celle perdue à

l’environnement, le corps se réchauffe, sa température interne s’élève et dans le inverse il se

refroidit avec un abaissement de sa température interne. [6]

I.5.3 L’aspect psychologique (sensation thermique):

L’aspect psychologique concerne la sensation et le comportement de l’individu dans

un environnement thermique. La sensation thermique correspond à l’aspect qualitatif et

quantitatif de la perception de l’état thermique personnel. Elle est liée aux messages sensoriels

des différents thermorécepteurs. Elle dépend uniquement de l’état thermique personnel et non

pas de l’environnement thermique. La sensation du froid dépend de la température cutanée, et

la sensation au chaud dépend de la température cutanée puis à celle interne [2].

II.6 Les paramètre effectuant du confort thermique:

La sensation de confor thermique est fonction de plusieurs paramètres : Les paramètres

physiques d’ambiance, au nombre de quatre, sont : la température de l’air, la température de

paroi (radiante), la vitesse de l’air, et l’humidité relative de l’air.


17

Les paramètres liés ’individu, ils sont multiples, on recense notamment deux paramètres

principaux qui sont l’activité et la vêture de l’individu .

Les paramètres liés aux gains thermiques internes, gains générés dansl’espace par des

sources internes autres que le système de chauffage. (éclairages, appareils électriques,postes

informatiques…….) [6].

II.6.1 Les températures:

La température de l’air, ou température ambiante (Ta), est un paramètre essentiel du

confort thermique. Elle intervient dans l’évaluation du bilan thermique de l’individu au niveau

des échanges convectifs, conductifs et respiratoires . Dans un local, la température de l’air

n’est pas uniforme, des différences de températures d’air se présentent également en plan à

proximité des surfaces froides et des corps de chauffe .[6]

II.6.2 Humidité relative (HR%):

L’air contient de la vapeur d’eau. Le taux d’humidité (qui varie de 0 à 100%), mesure

la quantité d’eau. Plus la température augmente, plus l’air peut contenir de la vapeur d’eau: à

15°C, l’air contient 10g de la vapeur d’eau par kg d’air, alors qu’à 20°C, cette quantité passe à

15g. Entre 30 et 70%, l’humidité relative pèse peu sur la sensation de confort thermique. Nous

restons dans la zone de confort. Sous 20%, l’air est trop sec et au delà de 80%, trop humide

[2].

II.6.3 La vitesse de l’air (Va ,m/s):

La vitesse de l’air (et plus précisément la vitesse relative de l’air par rapport à

l’individu) est un paramètre à prendre en considération car elle influence les échanges de

chaleur par convection et augmente l’évaporation à la surface de la peau A l’intérieur des

bâtiments, on considère généralement que l’impact sur le confort des occupants est

négligeable tant que la vitesse de l’air ne dépasse pas 0,2 m/s [9] .

III.6.4 Le métabolisme:

L’activité est un paramètre essentiel pour la sensation thermique de l’individu,

définissant directement le métabolisme de l’individu, c’est-à-dire la quantité de chaleur

produite par le corps humain.

Dans le cas d’une très forte activité, elle peut être responsable de sensations

d’inconfort chaud, même en précise la condition météorologiques très favorable. Il est à


18

noter toutefois que, dans le cas d’une activité classique de bureau, les plages de variation du

métabolisme demeurent limitées [9].

II.6.5 L’habillement:

L’habillement représente une résistance thermique aux échanges de chaleur entre la

surface de la peau et l’environnement.[9]

Il joue un rôle très important, dont la manière est ressentie les effets de ces échanges

qui se font suivant ces mécanismes suivants:

6.5.1 Effet dû à la conduction:

Il s’agit des échanges thermiques qui ont lieu quand le corps est en contact avec une

surface (chaise, fauteuil, canapé, lit) .Ces échanges sont limités en importances.

II.6.5.2 Effet dû à la convection:

il s’agit des échanges de chaleur liés au mouvement de l’air autour du corps. Ils sont

d’autant plus intenses lors que la vitesse de l’air est importante et que l’écart de température

entre l’air et le corps est grand.

II.6.5. 3 Effet dû à la radiation:

il s’agit des échanges de rayonnement infrarouge avec les parois qui peuvent être

froides ou chaudes. La température de rayonnement correspond à la température des

surfaces avec lesquelles le corps humain échange de la chaleur. Le flux radiatif dépend de

la constante de Stefan-Boltzmann, de l’émissivité des corps, des différences des puissances de

températures des surfaces et des facteurs de forme.

II.6.5.4 Effet dû à l’humidité:

Il s’agit d’échange par déperdition calorique évaporatoire au niveau cutané et aux

surfaces mouillées (lèvres, yeux, voies respiratoires). l’humidité n’a pas beaucoup d’impact

sur les échanges thermique [1].

Figure II.6 : Interaction thermique entre le corps humain et son environnement.


18



























18



























19

II.7. Données climatiques et le confort :

Le climat est l’ensemble des circonstances atmosphériques propres à une région du

globe, il exprime les conditions dominantes, et se détermine par déférentes éléments, leurs

combinaisons et leurs interactions. Lorsqu’on considère le confort humain et l’habitat, les

éléments climatiques principaux sont: Le rayonnement solaire, la température, l’humidité, les

précipitations et le vent [1].

La terre connaît cinq grands types de climats classés selon la température et

l’humidité: climat tropical, climat sec, climat tempéré chaud, climat tempéré froid et climat

froid. Cette classification peut encore être affinée par les caractéristiques géographiques

comme la proximité des océans, l’altitude e les forêts .

II.7.1 Classification du climat en Algérie:

L’Algérie occupe une vaste étendue territoriale, sa superficie est de 2.381. 741 Km2.

Plus de 4/5 de sa superficie est désertique. D’où une large variété géographique et climatique

allant du littoral au désert. La classification climatique en Algérie permet de distinguer quatre

zones principales Figure II.7.

Zone A : Littoral mari

Zone B : Arrière littoral montagne

Zone C : Hauts plateaux

Zone D : Pré - saharien et saharien

Figure II.7: Classification du climat en Algérie


19






















19






















20

II.7.2 Climat de la région d’Ouargla:

La wilaya de Ouargla est caractérisée par un climat saharien , avec une pluviométrie

très réduite , des températures élevées et par une faiblesse de la vie biologique de

l’écosystème . [1]

Les températures moyennes mensuelles enregistrées au mois le plus chaud (juillet)

sont de 35.95°C. Alors que celles du mois le plus froid (janvier) sont de 11.94C.

Les précipitations sont rares et irrégulières et varient entre 0. mm et 9.10 mm par ans.

Le Sirocco (vent chaud et sec) peut être observé à toute époque de l’année , avec une

vitesse pouvant atteindre 72.2m/s.

L’humidité relative enregistre des taux tournant de 40 à100 %.[11]

5.10

28.20

11.94

35.95

18.77

43.71

0

10

20

30

40

50

T moy min[c°]

T moy [c°]

T moymax[c°]

0.002.004.006.008.00

10.00JAN

Fév

Mar

Avr

Mai

Jui

Juil

Aou

Sep

Oct

Nov

Déc

précipitation[ mm]

0.0

50.0

100.0

150.0

200.0

250.0

300.0

350.0

JAN

Fév M

…Av

rM

ai Jui

Juil A…

Sep

Oct N

…Dé

c

insolation en heure


21

Figure II.8 : Interprétation des données climatiques de la région d’Ouargla (2004-2014)

(D’après ONM, et réadapté par l’auteur)

II.8 Architecture traditionnelle :

L’architecture traditionnelle signifie l’ensemble des constructions produites par une

communauté pour lui servir d’habitat. Elle reflète les aspirations, les désirs et le mode de

vie du groupe. L’obligation de simplicité et la faiblesse des moyens ont donné naissance à un

habitat bien intégré à son environnement, qui répondait aux besoins des populations mais

L’aboutissement à un résultat qui satisfait aux exigences climatiques, économiques, sociales,

fonctionnelles, culturelles, à un moment donné, ne signifie nullement que ce résultat

restera figé à jamais . [10]

Il existe quatre catégories de matériaux utilise pour les constructions traditionnelles :

la terre, la roche, les végétaux, et les matériaux d’origine animale . [1]

II.8. 1 L’habitat traditionnelle on Algérie:

II.8. 1.1 Ksour (tissu compact):

Ksar est un mot arabe passé en français comme pluriel de ksour pour designer les

constructions fortifiées du Maghreb et du Sahara.

Le type de l’habitat compact est le type le plus fréquent dans les villes maghrébines

comme le cas de l’habitat des Casbahs et des Ksour en Algérie , La f orme urbaine de ce type

d’habitat est très adaptée aux conditions climatiques sahariennes le ksar reste la forme la

mieux adaptée au climat saharien. Le tissu urbain se présente sous forme d’un modèle

020406080

100120140160180200

JAN

Fév

Mar Av

rM

ai Jui

Juil

Aou

Sep

Oct

Nov Dé

c

H moy min (%) H moy (%)H moy max(%)

-10.020.030.040.050.060.070.080.0

JAN

Fév

Mar Av

rM

ai Jui

Juil

Aou

Sep

Oct

Nov Dé

c

Vitess moyenne du vent (m/S)


22

horizontal, dense et compact, ayant un double effet: la protection du rayonnement solaire

intense de l’été, et les vents dominants chauds et froids [1].

II.8. 1.2. Le ksar de Ouargla:

Un ksar vivant et très actif A son origine, le ksar est une forteresse, ne laissant

émerger au-dessus de ses terrasses que les minarets jumeaux des mosquées et les cimes de

quelques palmiers jaillissant des cours [17].

Le ksar de Ouargla couvre 30 ha intra-muros Le boulevard qui l’entoure occupe le

site des anciens fossés, comblés en 1881, lors d’une touiza, Ce fossé, non drainé et

pestilentiel, était le siège de prolifération des anophèles, le paludisme infesta l'oasis jusqu'au

milieu du XXe siècle. Le boulevard marque les limites du ksar dont les contours sont,

vaguement, circulaires. Il regroupe les trois quartiers de Beni Sissine, Ben Brahim et Beni

Ouagguine, dont la trame foncière est prolongée par le parcellaire de palmeraie. Le plan du

ksar est original, Ouargla n'est pas une cité circulaire radioconcentrique. Bien que la place du

marché se situe Pour une lecture urbaine du Bas-Sahara: du ksar à la ville288 au centre de la

ville, celle-ci n’a pas été bâtie autour d'elle. Sa construction semble postérieure à l'ensemble

du réseau urbain, comme l'est la Casbah, construite au début du XVIle siècle [17].

La place du marché correspond, par sa position, au centre de la cité, au point de

convergence des rues principales du ksar et de la palmeraie, notamment, des quartiers Beni

Brahim et Beni Ouagguine. De plan carré, entouré de maisons qui abritaient les boutiques du

Souk, ces artères furent supprimées, au début du XXe siècle, pour agrandir la place et

assurer la liaison directe avec la Casbah [17].

Le quartier Beni Brahim est plus étendu et complexe, car le gros des équipements se trouve

sur son territoire: le Vieux Marché, les deux grandes mosquées, Lalla Malkiya (rite malékite)

et Lalla Azza (rite ibadite), ainsi que la mosquée Abou Zakariya (1230). Beni Ouagguine est

le seul à abriter de grands jardins. Alors que Beni Sissine semble le moins bien structuré, à

priori, Il a été tronqué à Centre de l'Ouest par les destructions de 1872. Il s'ordonne autour de

deux grandes rues parallèles.

Dans tous les quartiers, les membres de chaque clan occupent un pâté de maisons

desservi par des impasses où des rues le relient aux autres clans. Plusieurs clans siègent dans

la djemaa dont les membres représentent la djemaa de tribu. Ainsi le plan du ksar est-il

commandé, autant par sa structure sociale traditionnelle que par les étapes de sa croissance

[17].

Le ksar a changé depuis. Ce tissu, aux limites de saturation (335hab/ha), s’est encore


23

densifié, ses rues se couvrent de pièces, les places sont rognées, peu à peu, et les jardins

intérieurs construits pour gagner le plus d'espace possible.

Figure II.9: le ksour de Ouargla

II.9. L’habitat actuelle en Algérie :

II.9.1 Définition de l’habitat :

L’habitat est un élément essentiel du cadre de vie qui doit tenir compte des besoins

sociaux fondamentaux, constitue pour l’individu, pour une famille, et pour la collectivité. Il

est un axe autour duquel le développement social, économique et politique du pays peut

trouver un dynamisme nouveau. En géographie humaine, l’habitat désigne le mode

d’occupation de l’espace par l’homme pour des fonctions de logement. On parle ainsi

d’habitat groupé, d’habitat dispersé et, par extension l’ensemble des conditions de logement .

II.9.2 Classification de l’habitat en Algérie :

On distingue deux types d’habitat individuel et collectif:

L’habitat individuel est une forme d'habitat où ne réside qu'une seule famille, située

dans un espace privatif; cet espace est constitué par une parcelle de terrain comprenant des

prolongements naturels tels que les cours et jardins.par opposition à l'habitat collectif

comportant plusieurs logements dans un même bâtiment. Caractérisé par la maison

individuelle ou pavillon, l'habitat individuel tend à se développer par rapport à l'habitat

collectif, même si celui ci reste majoritaire en milieu urbain .Par rapport à l'habitat collectif,

c'est un mode d'habitat très consommateur d'espace, qui entraîne un coût plus important en

infrastructures et équipements, l'accroissement du «mitage» des paysages, ainsi qu'une


24

circulation automobile plus dense [19].

II.9.2.1 Caractéristique de l’habitat collective:

Chaud en hiver en raison du manque d'espace.

Une mauvaise ventilation de la main.

l’auteur offre la possibilité de logements multifamiliaux dans l'espace étroit.

II.9.2.2 Caractéristique de l’habitat individuelle:

Disponible sur une bonne ventilation en raison de la vaste zone.

La possibilité d'un changement à l'avant de la maison.

La possibilité d'une exploitation dans le domaine du reboisement.

II.9.2.3 Espaces extérieurs:

Les espaces extérieurs sont restés à leur état initial tel que livré par le promoteur.

Aucune initiative n’est venue de la part des habitants pour le traitement ou la plantation de

nouveaux arbres. L’éclairage extérieur est en état de marche et assure une certaine sécurité.

Figure I.10 : l’espace extérieur de l'habitat(Batna)

II.9.2.4 Les façades :

Ce qui peut être remarqué aussi les habitants essayent toujours, de jouer sur

l'esthétique de la façade, la richesse de son ornementation. L'investissement dans les façades

se renforce et se développe dans les habitations individuelles. Il s'agit bien d'une recherche de

distinction, de couleurs, qui se fait par imitation tout en essayant de reprendre certains

éléments et références des villas voisines. Les hauteurs des différentes constructions, (plus

hautes que celle du voisin), est un autre élément essentiel dans des habitants.


24























24























25

Figure II.11 : la façade de l’habitat individuelle(Batna)

Les façades présentent un traitement simple particulier qui se détache par rapport aux

autres îlots, il procure le sentiment d’identification aux occupants de l’unité d’habitation qui

n’ont plus à s’identifier à un numéro mais à un aspect, à un reflet ou simplement à un

traitement particulier.

Les façades tiennent compte des orientations des chambres et du niveau

d’ensoleillement et de la protection des vents dominants.

II.10. Technique et solution climatique:

Si l’on désire optimiser le confort tout en minimisant la consommation d’énergie, il est

nécessaire de comprendre technique de connaître leur importance application traversant

l’habitat actuelle et de quelque chose technique naturel et artificiel exemple la végétation, La

cheminée solaire……etc.

II.10.1 Les surfaces vitrées:

Il est la protection, composée d’une toile enroulable ou d’un store vénitien, est

intégrée dans l’espace entre les deux vitres d’un double vitrage [16].

La baie vitrée constitue la solution la plus simple et la mieux connue. Lorsque

l’énergie lumineuse arrive sur un vitrage, une part est réfléchie, une part absorbée et une part

est transmise à travers celui-ci. La part réfléchie dépend de l’angle d’incidence de la vitre. Au

delà d’une inclinaison de 50°, cette part augmente jusqu’à ce que la lumière soit totalement

réfléchie pour une inclinaison de 90°. Cette propriété est intéressante, car comme l’angle

d’incidence du soleil est plus grand en été, sa position étant plus haute dans le ciel, un rayon

solaire à midi sur une façade sud ne pénétrer que très peu dans la maison. La part qui est

absorbée dépend du type de verre [14]


25

























25

























26

Figure II.12: les types de surface vitre.

II.10.2 La véranda :

Sa réalisation doit être prise en compte dès la conception de la maison. Elle doit être

orientée au sud pour être efficace afin de ne pas engendrer de surchauffe en été. Elle forme un

espace tampon qui a pour fonctions de capter la chaleur, de la piéger et de la distribuer en

hiver. Elle participe activement au confort d’hiver et réduit les consommations d’énergie liées

au chauffage [14].

En hiver, le rayonnement solaire est capté par la surface vitrée, l’air de la véranda est alors

réchauffé et sa température devient supérieure à celle de la maison. Par ouverture des fenêtres

ou des portes reliant l’intérieur et la véranda, un courant d’air est créé et réchauffe au fur et à

mesure l’air de la maison par convection. Les murs entre la maison et la véranda jouent

également un rôle d’accumulateurs de chaleur et la restituent en différé. Ces murs doivent être

plein et épais afin d’avoir une capacité thermique suffisante [14]

En été, des protections solaires limitent l’exposition et évitent les surchauffes. Les ouvertures

entre la véranda et l’extérieur permettent également un tirage qui la rafraîchit pendant la nuit.

Il est préconisé que 25 % de la surface vitrée puisse s’ouvrir pour un rafraîchissement

efficace la nuit . [14]


26







au chauffage [14].












26







au chauffage [14].












27

Figure II.13 : la position de véranda

II.10.3 La végétation:

La végétation joue un rôle sur l’ensoleillement en tant qu’obstacle, qui peut être

bénéfique en été et être sans effet en hiver, grâce à la chute des feuilles. Quand la végétation

est dense, elle peut absorber une quantité de rayonnement solaire, rafraichir la surface du sol

et réduire la turbulence de l’air dans les couches inférieures; la nuit, les feuillages diminuent

le rayonnement du sol et donc la chute des températures. En été, l’air au niveau du sol est

aussi refroidi par la respiration de la végétation. Les feuilles des arbres agissent comme des

filtres contre la pollution de l’air par particules solides [15].

Figure II.14: Les différents effets de la végétation.

II.10.4 Puits provençal:

Le puits provençal est un système de rafraîchissement méconnu hérité des romains qui

peut réduire la température de 5 à 10 °C dans la maison, les jours de chaleur. Le principe du

puits canadien « provençal » est d’une grande simplicité; il repose sur le fait que dans le sol,


27
















27
















28

vers deux mètres de profondeur, la température ne varie que de quelques degrés au cours de

l’année et généralement proche de 14°c. En été, elle est donc très inférieure à celle de l’air

extérieur; il suffit donc, défaire cheminer l’air extérieur (30 à 100 mètres) dans un tuyau d’au

moins 20 cm enterré à environ deux mètres de profondeur pour qu’il se refroidisse avant

d’être envoyé dans la maison. Il est inspiré dans ce tuyau par un ventilateur avant de pénétrer

dans les locaux à rafraîchir. Ce parcours souterrain suffit à lui faire perdre environ 5 à 10°C

[3].

Figure II.15 : Puits provençal ou canadien ,

II.10.5 La ventilation:

Ventilation est l’introduction intentionnelle d’air extérieur dans un espace

[1].Ventilation est principalement utilisée pour contrôler l’intérieure qualité de l’air par

dilution et le déplacement de polluants intérieurs. il peut également être utilisé à des fins de

confort thermique ou déshumidification lorsque l’introduction de l’air extérieur contribuera à

la réalisation des conditions psychrométriques intérieure désirée. L’introduction intentionnelle

d’air extérieur peut être classée comme une ventilation mécanique ou une ventilation

naturelle.

II.10.5.1 La ventilation mécanique:

La ventilation mécanique consiste à recourir à des systèmes mécaniques pour apporter

et extraire l’air des bâtiments. Elle permet de affranchir des conditions climatiques [2].


28







[3].









naturelle.





28







[3].









naturelle.





29

II.10.5.2 La ventilation naturelle:

La ventilation naturelle est le flux passif intentionnelle de l’air extérieur dans un

bâtiment par des ouvertures prévues (telles que les persiennes, les portes et les fenêtres).

La ventilation naturelle ne nécessite pas de systèmes mécaniques pour déplacer l’air extérieur,

il repose entièrement sur des phénomènes physiques passifs, tels que la pression du vent, ou

l’effet de cheminée.

II.10.5.3 Les systèmes mixtes de ventilation:

Il utilise à la fois des procédés mécaniques et naturels. Les composants mécaniques et

naturels peuvent être utilisés en conjonction avec l’autre ou séparément à différents moments

de la journée ou de la saison de l’année.

II.10.6 L’isolation thermique :

L’isolation thermique est constituée des matériaux ou dispositifs destinés à empêcher

les déperditions ou les apports thermiques.

Les matériaux isolants sont généralement légers et comportent de minuscules cellules d’air

immobiles qui freinent la conduction et la convection.

Un pont thermique est un élément où partie de la paroi d’un bâtiment qui, par sa nature ou sa

mise en œuvre, s’avère être un point faible de l’isolation qui n’offre pas le même coefficient

de résistance thermique.

Un mur extérieur existant peut être isolé principalement selon trois procédés différents :

par remplissage de la lame d’air dans le cas d’un mur creux,

par l’extérieur,

par l’intérieur.

Figure II.16 : les différents procédés de l’isolation

II.10.7 La cheminée solaire:

Les cheminées thermiques ou solaires, sont une forme très efficace pour la Création

d’un courant d’air augmentation du débit de refroidissement d’air; l’intérieur du bâtiment ; en

effet, la portion supérieure de la cheminée est chauffée par le soleil, l’air chaud monte et sort


29





















par l’extérieur,

par l’intérieur.







29





















par l’extérieur,

par l’intérieur.







30

par l’ouverture au sommet et l’air plus frais infiltre à l’intérieur du bâtiment par des

ouvertures ombragées en bas [3].

Une cheminée solaire peut être un des composants d'un bâtiment, dans lequel un ou

plus de murs d'une cheminée sont transparents, le mur vitré permet le rayonnement solaire

s’accumuler assez de chaleur pour induire l’effet de cheminée. L'énergie solaire réchauffe l'air

à l'intérieur de la cheminée. En raison de la différence de la température d’air, un gradient de

densité entre l'intérieur et l'extérieur de la cheminée provoque un mouvement ascendant d'air

[2].

Deux modes d'opérations de la cheminée solaire, qui sont appropriés à chaque saison. Cas de

chauffage: la cheminée solaire fonctionne en mode de chauffage passif. L'air extérieur est

entré dans la cheminée, et réchauffé par l'énergie solaire absorbée. L'entrée d'air chaud dans

la salle contribue à la réduction d'une charge thermique. Cas de refroidissement avec la

température d'extérieure est inférieure à la température d'air dans la pièce la cheminée solaire

peut fonctionner dans le mode de ventilation et le refroidissement passif. La fonction est

identique à celle pour le refroidissement dans des régions froides ou de climats modérés, où

les conditions extérieures en été ne sont pas dures [2].

Actuellement, on peut distinguer deux types de cheminée solaire:

II.10.7.1Cheminée solaire verticale :

Ce type est le plus rencontré, où l’entrée d’air se fait par l’ouverture au fond et la

sortie par l’ouverture au-dessus. Par convention, trois types de cheminée sont dénotés selon

l'admission Le positionnement de l'ouverture d'admission représente trois manières possibles,

d'intégrer La cheminée solaire dans un bâtiment pour la ventilation naturelle [2].

Figure .II.17 : une cheminée solaire verticale.


31

II.10.7.2.Cheminée solaire inclinée:

Conceptuellement, les cheminées solaires inclinées sont semblables aux cheminées

solaires verticales. La seule différence est qu’elles sont intégrées d’une façon inclinée à un

certain angle approprié, pour capturer le maximum de rayonnement solaire possible.

Le plus grand avantage des configurations inclinées qu'il fournit la ventilation

suffisante à l'inclinaison de 30°à 45° pendant les mois d'été dans endroit géographique [2].

Figure. II.18 :Une cheminée solaire inclinée

II.11Conclusion

Le confort thermique est nécessaire et justifiée dans la construction publique et cela

est dû à l'impact de son travail et les efforts de l'individu , ils sont considérés comme une

partie importante dans l’architecture .an l'architecte pris à plusieurs critères de l' impact des

facteurs environnementaux et naturels de matériaux de construction et de la forme de

construction afin d' assurer le confort thermique , ce qui est recherché par puisque le vieil

homme a été observé à travers les habitations traditionnelles fournissent la bonne ambiance et

le confort thermique . Comme dans l'architecture actuelle et a atteint à plusieurs solutions

technologiques récentes l’isolation thermique, la végétation, le vitrage et d'autres pour fournir

une atmosphère pratique et confortable.

Chapitre

III

MODELISATION

NUMERIQUE

Chapitre III Résultats et Discussions

32

III.1. Introduction :

Dans ce chapitre, nous présentons les équations qui régissent le phénomène de

transfert de chaleur par convection à l’intérieur d’une cavité munie d’une cheminée solaire,

les hypothèses simplificatrices ainsi que les conditions aux limites et initiales de toutes les

frontières du domaine.

Le travail se focalise sur la variation des champs thermiques et dynamiques à

l'intérieur de la cavité et de la cheminée solaire, pour comprendre le comportement d’une

cheminée solaire pour le système de ventilation, ainsi l’influence des paramètres clés tel que

le rayonnement solaire et quelques paramètres géométriques sur le débit de renouvellement.

Le calcul numérique est mené à l’aide du code de calcul Fluent version. Les équations

régissantes sont résolues par la méthode des volumes finis pour un écoulement turbulent basé

sur le model k-ε.

D’abord, une validation du modèle est réalisée à partir de la confrontation de nos

résultats de simulation avec des données publiées disponibles expérimentales et théoriques.

Ensuite, une analyse d’influence des différents paramètres sur la performance de notre

modèle.

III.2. Modèle physique:

L'écoulement a été simulé dans la géométrie présentée par J. Mathur et al [22] . La

configuration physique de domaine pris en compte dans la présente étude est illustrée dans

la Figure III.1 s’agit d’une chambre cubique ayant une taille de1m de large x1m de hauteur,

avec une profondeur d'un mètre. La taille de la fenêtre Hw a été maintenue constante de

dimension 0,3m ×0,3 m La hauteur de vitrage Lc est égale 0.85 m et La largeur 0,1 m.

Figure III.1: Schéma générale de domaine physique.


33

Le fluide à l’intérieur de la cavité est considéré newtonien et incompressible,

puisqu’on étudie le transfert de chaleur qui se produit uniquement par convection naturelle,

l’approximation de Boussinesq est considérée. Le fluide à l’intérieur de la cavité est de l’air.

III.3.Les hypothèses :

La description physique devient rapidement très compliquée. Il convient donc

de faire un certain nombre d'hypothèses, permettant d'arriver à un temps de calcul correct. Le

choix est porté sur un domaine bidimensionnel, et les hypothèses utilisées dans ce travail

sont:

L’écoulement est bidimensionnel.

L’écoulement permanent ( = 0). L’écoulement de l’air est turbulent.

Le fluide est newtonien et incompressible.

L’absorbeur et le verre sont toujours parallèles

III.4. Les équations régissantes:

III.4.1. Equation de continuité:

Considérons un écoulement du fluide traversant un volume de contrôle montré dans la

figure La conservation de la masse dans le volume de contrôle exige que la somme des

masses entrantes et sortantes à travers ce volume soit nulle. Et puisque l’écoulement est

considéré bidimensionnel, l’unité des sections de passage AB, CD, AD et BC est réduite à

l’unité de longueur, donc :

La masse - La masse + La masse - La masse = 0sortant de BC entrant à AD sortant de CD entrant à AB

La masse traversant AB par unité de temps = ( ) . (Aire de AB) = . d La masse traversant AD par unité de temps = ( v) ∙ (Aire de AD) = . d+ v = 0 (III.1)

III.4.2. Equation de conservation de quantité de mouvement :

L’équation de la conservation du mouvement à travers le volume de contrôle montré

suivant :


34

Débit net de Force Force Forcequantité de = de + de + demouvement pression frottement pesanteur

* Suivant la direction (x) + v = − + + (III.2)

* Suivant la direction (z)v + v v = − + v + v − (III.3)

III.4.3. Equation de l’énergie:

L’équation de conservation de l’énergie à travers le volume de contrôle est donnée

par : + v = + (III.4)

III.4.4. Les modèles de turbulence :Il existe différents niveaux de modèles, se distinguant par leur degré de complexité,

c'est-à-dire par le nombre d’équations de transport supplémentaires introduites pour les

quantités turbulentes pour fermer le problème : on cite ainsi le modèle de turbulence à zéro,

une ou deux équations. Les modèles de turbulence les plus utilisés à l’heure actuelle dans les

codes CFD sont les modèles à deux équations et plus particulièrement le modèle de

turbulence k -ε standard qui est le plus répandu .

III.4.5. Modèle k-ε :

Il existe des modèles de turbulence à haut nombre de Reynolds, qui prennent

en compte le transport des quantités turbulentes, en leur associant des équations de transport

différentielles. Le modèle k-ε fait partie de cette catégorie de modèles. Ce modèle propose

deux équations pour déterminer la viscosité turbulente, et fait donc partie des modèles à

deux équations. Ce modèle est le plus connu et le plus utilisé dans l’industrie jusqu’à présent.

Le modèle k-ε standard est un modèle semi empirique basé sur les équations de transport de

l’énergie cinétique turbulente k et de sa dissipation ε .

= + + + (III.5)


35

= + ( 1 + 3 + 2 ) (III.6)

Le Tableau suivent représente la variation de température de vitre et d’absorbeur en

fonction de l’intensité solaire, la température de vitre varie en fonction l’intensité solaire 9.15

I 0.199 et la température de l’absorbeur est 3.51 I 0.461.

Tableau III.1: Variation de température de vitre et d’absorbeur en fonction de l’intensité solaire:

Intensité solaire (W/m2) température absorbeur (K)température vitre (K)

300 321.66 301.46

500 334.59 304.51

700 344.92 306.69

III.5. Génération de maillage:

Pour notre étude, le logiciel Gambit est choisi pour créer le maillage. Il permet de

générer un maillage structuré ou non structuré en coordonnées cartésiennes, polaires,

cylindriques ou axisymétriques. Il peut réaliser des maillages complexes en deux ou trois

dimensions rectangulaires ou triangulaires.

Figure III.2: processus de génération d'un maillage dans le GAMBIT.

Une étude de sensibilité au maillage a été effectuée. Pour ce faire Nous avons réalisé

plusieurs simulations avec des tailles de maille différentes mais sans changement des

Créer les coordonnées du profil

Lancé le GAMBIT

Importé les coordonnées

Créer les frontières du maillage

Maillée structure

Défini les conditions auxlimites

Exportation de maillage


36

paramètres physique de l’air (β=0.003209 K-1, ρ=1.1205 Kg/m3, λ=0.027W/m .K ,

Cp=1007.46 J/Kg . K, T abs= 321.66°K et T vitre=301.46 °K) , dans la condition suivent:

Les limites d’entrée et de sortie : pression d’entrée, pression de sortie, vitesse

d’entrée, masse volumique d’entrée, pression d’environnement, écoulement de sortie.

Les limites des parois, répétitions et poteaux : paroi , symétrie, périodique et axe.

Les zones internes : fluide et solide (milieu poreux est considéré comme un type

de Fluide).

Les limites des faces internes : ventilateur, radiateur, paroi, milieu poreux

Figure III.3 : Le maillage utilisé.

Nous avons utilisé un maillage avec 115720 cellules et 116588 nœuds dans la

direction transversale. Une solution numérique est supposée converger lorsque les résidus

pour les différentes grandeurs physiques deviennent plus faibles que 10-3 et 10-6 pour énergie.

III.6. Validation des résultats :

De nombreuses recherches ont été réalisées pour évaluer les débits de ventilation à

travers une cheminée solaire. Pour notre étude nous référons à trois de ces travaux. Pour se

faire une confrontation entre les résultats obtenus et les résultats théoriques ainsi


37

expérimentaux de Mathur et Bassiouny concernant le taux de renouvellement ACH a été

effectuée. Le taux de renouvellement d'air par heure est défini comme suit :

ACH = (q . 3600)/volume total de la pièce (III.7)

Avec q: débit volumique en m3/s .

Tableau III.2: Variation d'ACH en fonction de l’intensité solaire:

Longueur

Absorbeur

(m)

Longueur

D’entrée

D’air (m)

Largeur

Cheminée

(m)

Longueur

Cheminée

(m)

Intensité

Solaire

W/m2

Exp Mathur

et al

Bassiouny Etude

actuelle

Erreur

(%)

0.7 0.3 0.1 0.85

300 3.2 2. 406 2. 515 3.64 13.75

500 4 3.09 3.060 4.11 2.75

700 4.4 3.524 3.475 4.49 2.04

Pour présenter les résultats sous la forme qui est proche à la situation de la vie réelle,

le débit volumique a été converti pour indiquer les changements d'air équivalent à l'heure pour

une pièce de 27 m3.

Un résumé du comparaison de paramètre de renouvellement d’air ACH calculé par

simulation numérique et de ceux issus de la littérature pour différentes recherchées pour

une gamme rayonnement allant de 300, 500 et 700 W/m2 est visualisé ci dessous.

Figure III.4: Comparaison de la variation de paramètre ACH en fonction de la variation de

l’intensité solaire

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750

ACH

1/h

Intensité solaire (W/m2)

notre Etud

Bassioun

Mathur

EXP


38

III.7. Résultats obtenus dans le cas de la géométrie simple :

III.7.1. Effet de l'intensité de rayonnement solaire :

Pour l’étude de l’impact de l’intensité solaire sur l’allure d’écoulement, les figures

représentées ci -dessous montrent l’évolution des champs de vitesse et de température relative

à une pièce munie de cheminée solaire, de longueur 0.85 m et 0.1 m de largeur.

Champs dynamiqueChamps thermique

Figure III.5: Champs dynamique et thermique pour intensité de 300 W/m2 pour une

longueur 0.85m et largeur 0.1 m.

Champs dynamique Champs thermiqueFigure III. 6 : Champs dynamique et thermique pour intensité de 500 W/m2 pour une

longueur 0.85m et largeur 0.1 m.


39

Champs dynamique Champs thermiqueFigure III. 7 : Champs dynamique et thermique pour intensité de 700 W/m2 pour une

longueur0.85m et largeur 0.1 m

Les figures (III. 5), (III. 6), (III. 7), montrent les champs dynamique et les champs

thermique pour une cheminée solaire verticale à différentes intensités solaires : 300, 500et

700 W/m2. Les figures montrent l'amélioration de la vitesse d'air à mesure que l'intensité

solaire augmente. En effet, l’augmentation d'énergie absorbée par l'absorbeur provoque

l’accroissement de l’écart de température entre l'absorbeur et le vitre de la cheminée, et donc,

accélération de l’air conduisant et un meilleur renouvellement variant proportionnellement

avec cet écart. L’évolution de champs de température à une intensité de 300 W/m2, qui

engendre un écart de température de 20.19°C entre l’absorbeur et le vitre correspond à un

débit volumique 0.027 m3/s. A mesure que cette intensité augmente, il s’ensuit une

augmentation de l’écart de température entre l’absorbeur et le vitre de la cheminée solaire. Il

est à noter que pour une intensité de 500 W/m2 correspond un écart de 30.07°C et le débit

volumique égale à 0.030 m3/s. Alors que pour 700 W/m2 correspond un écart de 38.22°C et

le débit volumique égale à 0.033 m3/s .Le vitesse d'air augmente avec un taux presque de

11.45% entre 300 et 500 W/m2.Par contre, l’influence de l’intensité solaire devient moins à

partir de 500W/m2 où le taux d’augmentation de la vitesse et de 8.38% lorsque l’intensité

solaire augmente à 700W/m2.


40

Figure III . 8 : Comparaison de profil de température à l’intérieur de la pièce pour

différent rayonnement.

Dans la figure (III.8) On observe que les différents profils de température ont un

aspect semblable, où les valeurs maximales sont toujours atteintes prés de la cheminée, tels

que la paroi absorbeur où les transferts de chaleur sont les plus intenses.la température est

diminuée entre la zone médiane de la pièce et l'ouverture. On montre que les valeurs

maximales sont proportionnelles au rayonnement solaire.

Tableau III.3: Variation de ACH et le début volumique en fonction de l’intensité solaire:

On peut constater que l'augmentation du flux de flottabilité dans la cheminée a

entraîné une augmentation générale des taux de débit dans le système. Comme le

rayonnement solaire est transmis par le verre puis absorbé principalement par le mur de

stockage de chaleur pour chauffer l’air à l’intérieur. L’air chaud monte par effet de flottabilité

qui favorise à l’intérieur la ventilation naturelle et la diminution de la température à

l’intérieur de la pièce. Il est à noter que le gain de chaleur de l’absorbeur est proportionnel à

l’intensité de rayonnement et par conséquent la différence de densité d’air augmente et l’effet

de cheminée est plus en plus évident comme la montre dans la figure suivante :

Intensité

solaire (W/m2)

Ecart de température entre

absorbeur et le vitre (ΔT)

Début volumique ACH

300 20.19 0.0273 3.64

500 30.07 0.0308 4.11

700 38.22 0.0337 4.49


41

Figure III. 9 : variation d'ACH en fonction de l’intensité solaire

III.8 Etude paramétrique :

La cheminée solaire comporte plusieurs paramètres géométriques qui influencent son

efficacité. Une étude paramétrique et optimisation sera effectuée afin de choisir le meilleur

taux d’écoulement d’air. Dans ce cas, on traite une cavité de langueur 1m et de largeur X

varie avec la largeur de la cheminée (Y). L’air dans l’enceinte est initialement à 298,2 K. La

cheminée solaire est exposée à un rayonnement solaire d’intensité de 300W/m2.

III.8.1. Le taux de rapport entre la largeur de la cheminée et de la cavité :

Les dimensions de la cheminée solaire et de la cavité (Figure III. 10) ont un impact sur

la quantité d'énergie solaire stockée, sur le rayonnement pénétrant dans la cavité et sur le débit

d'air généré.

Le taux de rapport (F) entre la largeur de la cheminée et de la cavité est défini par l'équation

suivante : = × 100 (III.8)

Figure III. 10 : La géométrie de rapport entre la largeur de la cheminée et de la cavité.

y

x

3.2

3.4

3.6

3.8

4

4.2

4.4

4.6

250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800

ACH

(1/H

r)

Intensité solaire (W/m2)


42

III.8.2. champ thermique et dynamique :

Champs dynamique Champs thermique

Figure III. 11: Champs dynamique et thermique pour intensité solaire de 300 W/m2 pourun pourcentage de 5 %.

Figure III. 12: Champs dynamique et thermique pour intensité solaire de 300 W/m2 pourun pourcentage de 10 %



43

Champs thermique

Figure III. 13 : Champs dynamique et thermique pour intensité de 300 W/m2 pour unpourcentage de 15 %

Champs dynamique

Figure III. 14: Champs dynamique et thermique pour intensité de 300 W/m2 pour unepourcentage de 20 %

Champs dynamique

Champs thermique


44

Figure III. 15 : Champs dynamique et thermique pour intensité de 300 W/m2 pour unepourcentage de 25 %

Figure III. 16 : Champs dynamique et thermique pour intensité de 300 W/m2 pour unpourcentage de 50 %.

Les figures (III. 11), (III. 12), (III. 13), (III. 14), (III. 15), (III. 16), montrent que la

vitesse de l'air augmente avec l’augmentation du taux de rapport entre la largeur de la

cheminée et de la cavité, car la vitesse moyenne diminuée avec l’augmentation de la largeur

de la cavité et la diminution de la largeur de la cheminée. Par exemple, la vitesse moyenne de




45

l'air passe de 0.22 m/s pour un taux de rapport 15% à 0.249 m/s pour un taux de rapport 20%

La température d'air à la sortie diminue avec une largeur croissante de la cavité.

On remarque aussi, que le renouvellement d’air est meilleur par rapport à un taux de

5%. Le couloir d’air est nettement plus large ayant tendance à écraser le grand vortex du bas

de la pièce à l’entrée. Donc, d’air renouvelé est mieux répartie dans la chambre.

Dans notre travail, nous allons chercher à examiner le changement d'ACH par un

changement de facteur prenant en compte le cas précédent d'une référence relative.

Tableau III.4:Variation d'ACH et le début massique sorite cheminée et la chambre.

Figure III. 17 : Variation d'ACH en fonction de différent pourcentage.

La figure III.17 montre que le rapport entre la largeur de cheminée et la largeur de la

cavité a un effet très significatif sur paramètre de renouvellement d’air d'ACH, par conséquent

l'augmentation de la largeur de par un rapport de 50% a amélioré l'ACH de presque 81.24%,

en comparaison avec un rapport de 5%.

III.9.Cas de géométrie complexe (trois cavités superposés):

0

2

4

6

8

10

12

0 10 20 30 40 50 60

ACH1/h

%

Le taux de rapport ( %) Début massique sorite (kg/s) ACH

5 0.0175 1.9910 0.0306 3.6415 0.0393 4.8920 0.0463 6.02

25 0.0619 8.3750 0.0662 10.64


46

Grâce aux résultats obtenus dans les travaux antérieurs, nous avons décidé de doubler le

bâtiment de deux étages tout en conservant les mêmes dimensions de cas le plus confortable

nous comparons ACH chaque étage.

La configuration étudiée est représentée sur la figure (III.18). Il s’agit d’un local

divisé en trois cavités superposées équipée par une cheminée solaire verticale de 2.85 m de

hauteur et de 0.1de largeur.

Figure III.18: Le domaine du cas de géométrie complexe (trois cavités superposés)

Nous avons utilisé un maillage de trois cavités superposés avec 381976 cellules et

384504 nœuds dans la direction transversale. Une solution numérique est supposée

converger lorsque les résidus pour les différentes grandeurs physiques deviennent plus

faibles que 10-3 et 106 pour énergie.

0.1434 m

3 m

0.9545 m

2.85

m


47

Figure III. 19 : Le maillage utilisé

III.9.1. champ thermique et dynamique :La figure (III .20) représente le champ dynamique et thermique pour une largeur de 0.1m

de la cheminée à une intensité solaire de 300 W/m2.

Figure III. 20: Champs dynamique et thermique pour intensité de 300 W/m2 pour une casde multi étage.

Dans ce cas, on a proposée une cheminée solaire commune entre trios cavité qui ont

les mêmes dimensions. La figure montre qu’il y a présence des vortex dans chaque pièce On

Champs thermiqueChamps dynamique


48

remarque aussi une faible vitesse dans la deuxième cavité par contre une importante vitesse à

la première cavité. On remarque que l’influence de la cheminée est différente sur les deux

pièces et que l’aspiration d’air neuf est meilleure dans la première cavité.

Les résultats obtenus montrent une différence de la distribution de température dans

les trois cavités. On trouve que la cavité qui se situe au premier étage a un bon confort par

apport à l’autre. Qui nous explique l’influence de la chaleur émis par l’absorbeur sur la pièce.

Tableau III.5: Variation de ACH et le début massique et volumique sortie dans la cavité.

Le taux derapport (%)

La chambre Début massique (kg/s) Début volumique (m3/s) ACH

15%

1 0.058 0.0518 7.226

2 0.0014 0.0012 0.177

3 0.012 0.011 1.598

1+2+3 Total= 0.043 Total=0.039 1.816Grâce à l'analyse de la table, nous avons constaté que la valeur de ACH changement

du sol au prépresse Dans le premier étage était 7.226, tandis que sur le deuxième étage et

0,177 et le troisième qui était égal à 1.598 et à travers les résultats nous montrent que le

meilleur plancher de la main de ventilation est au premier étage car il était la valeur de ACH

approche à la valeur ACH confortable (3-6) .

Conclusion:

Dans ce chapitre nous remarquons que l’écoulement d'air augmente d'une façon

linéaire avec l'augmentation du rayonnement solaire, en raison du stockage de l’énergie

thermique par l’absorbeur qui provoque l’accélération d’air.

Après avoir étudié le facteur relatif entre la chambre et la cheminée nous avons constaté

que le pourcentage de 15% est le meilleure pour obtenir le pourcentage ACH confortable .

dans le cas multi étages on remarque que la chambre dans le 3éme étage est le plus

confortable par ce que l'ACH de ce étage est le meilleur par apporte les autre .


49

Conclusion générale

Conclusion généraleLe confort thermique visé à l’intérieur des constructions est en fait une principale

exigence de l’épanouissement morale et physique de l’individu. Dans l’architecture solaire

et bioclimatique, le confort de l’usager est assuré par une adaptation aux conditions

d'ambiances locales (climatiques et visuelles) du milieu géographique .

Le renouvellement de l’air est la principale source de déperditions thermiques dans

une construction. Il faut donc réduire les besoins en assurant une bonne aération en

privilégiant la ventilation naturelle. Dans le but de créer une ventilation naturelle, on a

proposé un système de ventilation passif utilisant une cheminée solaire, qui a fait l’objet de

notre travail.

L’application d’une cheminée solaire de dimensions (0.85m x 0.1m) sur une

pièce cubique de dimensions (1m x 1m x 1m) montre que la cheminée solaire a un effet

important dans l’amélioration de la ventilation et l’augmentation du taux de renouvellement

de l’air. Cela est traduit par l’ACH qui est reliée directement au rayonnement solaire.

Les résultats de nos simulations numériques montrent que l’écoulement d'air

augmente d'une façon linéaire avec l'augmentation du rayonnement solaire, en raison du

stockage de l’énergie thermique par l’absorbeur qui provoque l’accélération d’air.

Après avoir étudié le facteur relatif entre la chambre et le changement fumé et nous avons

constaté que le pourcentage de 15 entre la chambre et la cheminée dans la meilleure position pour

obtenir le pourcentage le plus élevé ACH .

En général, l'énergie solaire avec une intensité élevée est disponible au sud

algérien et particulièrement à la région de Ouargla qui possède un climat richement

ensoleillé. Ces conditions encouragent l'adoption d'un tel concept fournissant un

environnement thermiquement approprié pour le confort humain et de réduire le coût exorbitant

de l’énergie consommée par la climatisation artificielle fortement utilisée

pour une adaptation au climat hostil

Bibliographie

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Thermique Algérienne des Bâtiments – Contribution à la Définition de Nouveaux Coefficients

Réglementaires, Revue Française de Génie Civil, Vol : 6, Paris, France, Août 2002.

Annexe A :

µ f = [1.846 + 0.00472 (Tm- 300)].10-5 µ f : Viscosité dynamique de l’air

ρ f = [1.1614 - 0.00353(Tm- 300)] ρ f : densité d’air

k f = [0.0263 + 0.000074(Tm -300)] Avec k f : conductivité thermique d’air

C f = [1.007 + 0.00004 (T m-300)] × 10 C f :capacité calorifique d’air

β = 1/Tm β: coefficient de expansion volumétrique

T m = (T vitre + T absorbeur) /2 T m: température moyenne de mélange

Nombre de Rayleigh :

Le nombre de Rayleigh Ra est le paramètre de contrôle de la convection thermique.

Plus le nombre de Rayleigh est grand, plus la convection est intense.

Le nombre de Rayleigh peut s’interpréter comme une mesure de l’importance

du mécanisme responsable de l ’instabilité du fluide (la poussée d’Archimède)

par rapport aux mécanismes de freinage (la diffusivité thermique et la

viscosité). Il est également possible de voir le nombre de Rayleigh comme la

différence de température. Le nombre de Rayleigh est donné par la relation:

= ∙

Pour Ra < 109: écoulement est laminaire, Ra > 109: écoulement est turbulent.

Nombre de Grashof :

Le nombre de Grashof compare les forces d’Archimède (ou forces de

flottabilité) aux forces visqueuses qui s’exercent sur un élément de fluide dont la

température diffère de celle du milieu environnant.= ∆l’évolution de champs de température à une intensité de 300 W/m2, qui engendre un

écart de température de 20.19°C entre l’absorbeur et le vitre correspond à un

nombre de Rayleigh 1.3568×109.A mesure que cette intensité

augmente, il s’ensuit une augmentation de l’écart de température entre l’absorbeur

et le vitre de la cheminée solaire comme les montrent est à noter que pour une

intensité de 500 W/m2correspond un écart de 30.07°C et Ra égale à 1.80019×109.

Alors que pour 700 W/m2correspond un écart de 38.22°C et un nombre de

Rayleigh 2.09×109.

Tableau III: Variation de nombre de Rayleigh en fonction de l’intensité solaire.

Intensité solaire (W/m2)Ecart de température entre

absorbeur et le vitre (ΔT)

Nombre

de Rayleigh

300 20.19 1.35682x109

500 30.07 1.80019x109

700 38.22 2.0909x109

Multi étage:

l’évolution de champs de température à une intensité de 300 W/m2, qui engendre un

écart de température de 20.19°C entre l’absorbeur et le vitre correspond et longueur

2.85m à un nombre de Rayleigh 3.83×1010 mais cas2 longueur1.85m et nombre de

Rayleigh 1.397x1010 et cas3 longueur0.85m et nombre de Rayleigh 1.3554x1010 .

Tableau III: Variation de nombre de Rayleigh en fonction de chambre et longueur

cheminée solier

Chambre Longueur cheminée Ra

Cas1 2.85m 3.83x1010

Cas2 1.85m 1.397x1010

Cas3 0.85m 1.3554x1010

Annexe B :

Models

Model Settings

Space 2D

Time Steady

Viscous Standard k-epsilon turbulence model

Wall Treatment Standard Wall Functions

Heat Transfer Enabled

Solidification and Melting Disabled

Radiation None

Species Transport Disabled

Coupled Dispersed Phase Disabled

Pollutants Disabled

Pollutants Disabled

Soot Disabled

Boundary Condition

Zones

name id type

fluid.9 2 fluid

wall.3:001-shadow 12 wall

pressure_outlet.8 3 pressure-outlet

pressure_inlet.7 4 pressure-inlet



wall.3 7 wall

abs 8 wall

vtr 9 wall

default-interior 11 interior

wall.3:001 1 wall

Solver Controls

Equations

Equation Solved

Flow yes

Turbulence yes

Energy yes

Numerics

Numeric Enabled

Absolute Velocity Formulation yes

Relaxation

Variable Relaxation Factor

Pressure 0.30000001

Density 1

Body Forces 1

Momentum 0.199

Turbulent Kinetic Energy 0.80000001

Turbulent Dissipation Rate 0.80000001

Turbulent Viscosity 0.5

Energy 0.80000001

Linear Solver

Solver Termination Residual Reduction

Variable Type Criterion Tolerance

Pressure V-Cycle 0.1

X-Momentum Flexible 0.1 0.7

Y-Momentum Flexible 0.1 0.7

Turbulent Kinetic Energy Flexible 0.1 0.7

Turbulent Dissipation Rate Flexible 0.1 0.7

Energy Flexible 0.1 0.7

Pressure-Velocity Coupling

Parameter Value

Type SIMPLE

Discretization Scheme

Variable Scheme

Pressure PRESTO!

Momentum Second Order Upwind

Turbulent Kinetic Energy Second Order Upwind

Turbulent Dissipation Rate Second Order Upwind

Energy Second Order Upwind

Solution Limits

Quantity Limit

Minimum Absolute Pressure 1

Maximum Absolute Pressure 5e+10

Minimum Temperature 1

Maximum Temperature 5000

Minimum Turb. Kinetic Energy 1e-14

Minimum Turb. Dissipation Rate 1e-20

Maximum Turb. Viscosity Ratio 100000

Material Properties

Material: air (fluid)

Property Units Method Value(s)

Density kg/m3 boussinesq 1.1205

Cp (Specific Heat) j/kg-k constant 1007.46

Thermal Conductivity w/m-k constant 0.027000001

Viscosity kg/m-s constant 1.9005e-05

Molecular Weight kg/kgmol constant 28.966

L-J Characteristic Length angstrom constant 3.711

L-J Energy Parameter k constant 78.6

Thermal Expansion Coefficient 1/k constant 0.003209

Degrees of Freedom constant 0

Speed of Sound m/s none #f

Material: aluminum (solid)

Property Units Method Value(s)

Density kg/m3 constant 2719

Cp (Specific Heat) j/kg-k constant 871

Thermal Conductivity w/m-k constant 202.4

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Modélisation Et Optimisation De Cheminée Solaire … · Remerciements Nous tenons à exprimer notre gratitude et remerciement à ALLAH qui nous a donné la force et le pouvoir pour