Etude numérique des performances thermiques d’un habitat bioclimatique

Le secteur du bâtiment se classe aujourd’hui parmi les trois gros consommateurs d’énergie dans le monde avec le secteur du transport et celui de l’industrie [1, 2]. La part de la consommation de l’énergie dans le secteur du bâtiment s’élève à 40% de l’énergie mondiale [2, 3] et 50% de cette consommation annuelle est causé généralement par les systèmes de chauffage, de ventilation et de conditionnement d’air [4]. Face à cette consommation qui augmente le coût de l’énergie et aux conséquences négatives des émissions de gaz à effet de serre, il est devenu indispensable de développer des systèmes innovants permettant d’améliorer l’efficacité énergétique, de mieux maîtriser la demande énergétique et de réduire les émissions de CO2. En outre, près de la moitié de la consommation d’énergie du bâtiment est consacrée aux climatiseurs des pays développés.

Néanmoins, une grande partie de l’énergie de conditionnement de l’espace est finalement perdue à travers l’enveloppe du bâtiment en raison du manque d’inertie thermique dans les bâtiments modernes. Ainsi, l’économie d’énergie et la conception de bâtiments écologiques sont devenues un important domaine de recherche. Un thème commun parmi les stratégies efficaces de conception de bâtiment est l’amélioration de la masse thermique de l’enveloppe du bâtiment pour stocker l’énergie thermique pendant la journée et restituer au bâtiment pendant la nuit plus fraîche. Cela peut réduire les températures maximales et les fluctuations de températures à l’intérieur de l’habitat.

L’architecture bioclimatique, quant à elle, est une technique dont le coût n’est pas trop élevé, ce qui permet de faire des économies spectaculaires. Un grand nombre de maisons construites par nos ancêtres utilisaient déjà cette technologie. Alors le souci du rendement et du profit a conduit à la perte de qualité, à l’utilisation des matériaux malsains et moins chers et à la réduction des espaces, pour obtenir ce que nous voyons aujourd’hui : cages et villas où il ne fait pas bon vivre [8].

L’application des principes bioclimatiques est un facteur de réduction de la consommation d’énergie et des émissions de CO2 dans le secteur de la construction.

Au cours des vingt dernières années, plusieurs formes de matériaux à changement de phase encapsulés en vrac ont été commercialisées pour les systèmes solaires actifs et passifs, y compris le gain direct. Cependant, la surface de la plupart des produits commerciaux encapsulés était insuffisante pour fournir de la chaleur au bâtiment après que le matériau à changement de phase ait été fondu par la lumière directe du soleil. D’autre part, les murs et les plafonds d’un bâtiment offrent de grandes zones de transfert de chaleur passif dans chaque zone du bâtiment [11].

L’intégration de matériaux à changement de phase dans des murs du bâtiment permet de stocker une grande quantité d’énergie par chaleur latente dans un petit volume de matériaux [12]. La particularité des matériaux à changement de phase est qu’ils peuvent stocker l’énergie thermique par chaleur latente, ainsi que par chaleur sensible [13]. Le stockage d’énergie thermique est une technologie attrayante car c’est la méthode la plus appropriée pour combler l’écart entre la demande et l’offre d’énergie.

En Guinée, les habitats ont été construits jusqu’à nos jours sans le respect des normes énergétiques et environnementales. En effet, il en ressort que les charges sont élevées pour les consommateurs non sensibilisés à l’utilisation commode de l’énergie électrique. A cet effet, la consommation d’énergie dans le secteur de l’habitat et autres coûte à l’Etat un coût financier de 1200 milliards de francs guinéens par an, soit 107 426 770 euros (Cent sept million quatre cet vingt six mille sept cent soixante dix milles euros), selon le Ministère de l’Energie et de l’Hydraulique [16].

Ces charges sont très importantes pour un pays comme la Guinée dont le revenu est très faible. De ce fait, la promotion de nouvelles techniques de climatisation à faible consommation d’énergie et l’amélioration de l’efficacité énergétique des habitats s’avèrent indispensables. La climatisation passive qui consiste à minimiser l’action du rayonnement solaire sur l’ambiance interne par diverses techniques et à exploiter les caractéristiques architecturales des bâtiments s’avère très prometteuse. Ainsi, le terme bioclimatique se réfère à quelques principes de base ou la conception et la construction de l’habitat tiennent compte de son environnement pour créer une ambiance interne conforme au confort thermique [17].

Jusqu’en 1953, la problématique du climat n’a pas été considérée comme un critère important dans la conception architecturale [18], bien que, le chauffage passif et les techniques de rafraichissement par ventilation naturelle et l’éclairage naturel aient fait l’objet de nombreux travaux aussi bien théoriques qu’expérimentaux [19, 20]. Il est communément admis que la connaissance de différentes techniques de climatisation passive permet de diminuer la charge énergétique de l’habitat et tout en améliorant son confort. Des systèmes passifs destinés au chauffage (toiture de type capteurs solaires, murs trombes,…etc.) et au refroidissement (cheminée solaire, toiture de type capteurs solaires) de bâtiments ont étés passé en revue dans [21].

Quelques principes de conception architecturale basés sur l’environnement pour une région chaude et humide et quelques analyses numériques et expérimentales de la climatisation passive assurée par la ventilation naturelle ont été examiné dans les références [22, 20]. Ces différents travaux montrent que les méthodes retenues lors de la conception d’une toiture bioclimatique font intervenir différentes techniques telles que le piégeage du rayonnement solaire par la toiture [23], l’utilisation de cheminée solaire [24, 25] et de capteurs solaires plan.

Dans les zones à climat chaud et sec, la voûte céleste se comporte comme une source froide pour une toiture composée d’un système évapo-condensatif constitué de sacs en titane remplis de galets et d’eau de faible quantité [28]. En effet, la température de la voûte céleste peut descendre jusqu’à 30 °C en-dessous de la température de l’air ambiant. En région sèche, la température minimale est observée en milieu d’après midi. Ainsi, la différence entre la température ambiante et celle de l’intérieur d’un habitat, équipé d’une telle toiture peut atteindre 4°C. Cette toiture, appelée toiture diode, très peu onéreuse, permet l’évacuation par les transferts radiatifs avec la voûte céleste des calories de l’habitat, même pendant la journée et atténue l’impact des apports solaires sur l’ambiance interne de l’habitat.

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Table des matières

Introduction générale
Chapitre 1 : ANALYSE BIBLIOGRAPHIQUE
1.1 Introduction
1.2 Climatisation passive
1.3 Climatisation passive en Guinée
1.3.1 Conditions climatiques
– Climat tropical maritime en Basse Guinée
– Climat tropical de montagne en Moyenne Guinée
– Climat tropical sec ou Subsoudanien en Haute Guinée
– Climat subéquatorial en Guinée Forestière
1.3.2 L’habitat bioclimatique
1.4 Stockage de la chaleur dans le matériau à changement de phase (MCP)
1.5 Méthodes numériques de résolution des problèmes de changement de phase
A- Méthode à suivi de l’interface
B- Non connaissance de la position de l’interface
1.5.1 Méthode enthalpique
1.5.2 Méthode de la capacité thermique apparente
1.5.3 Terme source de chaleur latente
1.6 Conclusion partielle
Chapitre 2 : Modélisation d’un modèle d’habitat bioclimatique
2.1 Introduction
2.2 Description du modèle physique de la toiture et de l’habitat
2.3 Principe de fonctionnement de la toiture
2.3.1 Transferts thermiques
2.4 Formulation mathématique
2.4.1 Hypothèses simplificatrices
2.4.2 Equations de base
2.4.3 Equations au niveau de la toiture
2.4.3.1 Paroi incliné par rapport à l’horizontale
2.4.4 Equation de base au niveau de l’habitat
2.4.5 Equation de la chaleur dans le matériau à changement de phase
2.4.6. Conditions aux limites
2.4.7. Performances Energétiques
2.4.7.1. Efficacité thermique de stockage de chaleur dans les MCPs
2.4.7.2. Efficacité thermique de déstockage de chaleur dans les MCPs
2.5 Méthode de résolution
2.5.1 Approximation du rayonnement solaire
2.6 Conclusion partielle
Conclusion générale