murs solaires murs solaires À isolation isolation …
Post on 18-Jun-2022
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MURS SOLAIRES MURS SOLAIRES ÀÀ ISOLATION RENFORC ISOLATION RENFORCÉÉEE
Bruno PEUPORTIER et Alain GUIAVARCHARMINES - École des Mines de Paris – CENERG
Bruno MARCONATO et Henri SACCHISOGEA CONSTRUCTION
ADEME - PUCA
Journée thématique Enveloppe du Bâtiment
1
Objectifs de la rechercheObjectifs de la recherche
Réduire d’un facteur 4 les émissions de CO2 des bâtiments à
l’horizon 2050, renforcement progressif de la RT et
amélioration des bâtiments existants
Façades double peau comme alternative à l’isolation opaque,
intéressant aussi en réhabilitation
Evaluer la productivité thermique pour différentes typologies
(avec et sans circulation d’air)
Concevoir un composant optimisé
Evaluer l’intérêt économique et environnemental du concept
sur des cas types (logements collectifs, maison individuelle)
2
Evaluation du potentielEvaluation du potentiel
Une maison bien exposée en Ile de France reçoit, sur une saison de
chauffe, un rayonnement solaire de l’ordre de 8 fois supérieur à ses
besoins de chauffage (1,5 fois en décembre)
Seulement 2 à 5% de l’énergie solaire reçue est valorisée
actuellement
Peut-on valoriser cette énergie plus efficacement ?
Utilisation de vitrages isolants ou d’isolants transparents
Stockage de l’énergie, relève des gains directs par les vitrages en soirée
3
TypologieTypologie –– Diff Difféérents types drents types d’’intintéégrationgration
Allège de vitrage, préchauffage
Double peau, ventilation
Mur Trombe, chauffage
matériau( )
4
Typologie : diffTypologie : difféérents modes de circulation drents modes de circulation d’’airair
5
DiffDifféérents phrents phéénomnomèènes physiques couplnes physiques couplééss
Captage de chaleur : transmission absorption : α = 0.96, ε = 0.05
transfert Stockage et distribution de chaleur
6
ModModéélisationlisation –– Solaire thermique Solaire thermique àà air air
αvG
TextT1 T2
1/hextR1 R2 1/hC21/hC1
1/hr
T0 Tback
1/hback
Tf
τvαaG
R3
Couverture (vitrage) Lame d’air IsolantExtérieur Arrière du
capteur
- Transfert convectif entre le capteur et l’air en mouvement : (1)
avec : débit massique de l’air dans le capteur (kg/s),
Tf : température moyenne de l’air (K)
Cp : chaleur spécifique de l’air (J/kg/K),
x’ = x/L : position (relative) par rapport à l’axe principal (parallèle au sens d’écoulement du fluide)
A1, (resp. A2): surface de la couverture (resp. de l’absorbeur).
)()(' 222111 fCfCf
p TTAhTTAhx
TCm −+−=
∂∂
&
m&
Modèle de capteur à air
- Bilan des flux thermiques aux trois nœuds de température T0, T1 et T2 :
(2)avec T’sol = fonction (Text; G, hext, hr, αv, …)
T’R = fonction (Tback, hback,hr τv, αa,…)
hfa = fonction (hc1, hext,…)
hfr = fonction (hc2, hback,…)
⇒
( )( )fRfRfC
fsolfafC
TTAhTTAh
TTAhTTAh
−=−−=−
')(
')(
2222
1111
)()('
'2
'1 fRfRfsolfA
fp TTAhTTAh
x
TCm −+−=
∂∂
&
x
7
ModModéélisationlisation –– calcul du d calcul du déébit dbit d’’airair
Convection naturelle
Etude bibliographique (Brinkworth, Hypri…)
Modèle
– Conservation de la quantité de mouvement
(régime stationnaire) :
θ
L
Circuit d ’air3
4
2
1
avecU : vitesse moyenne de l'air dans le capteur,U2 (resp.U3) : vitesse moyenne de l'air à l'entrée (resp. à la sortie) du capteur,L : longueur du capteur,w : largeur du capteur,d : épaisseur de la lame d'air,Dh : diamètre hydraulique du conduit,θ : inclinaison du capteur par rapport à l'horizontal,f : coefficient de frottement dans la lame d'air,ρ0 : densité de l'air à l'extérieur,ρm : densité moyenne de l'air dans le capteur,ρ2 (resp.ρ3) : densité de l'air à l'entrée (resp. à la sortie) du capteur,Kf1, Kf3 : coefficients de perte de charge à l'entrée et à la sortie du capteur,g : accélération universelle (m/s_).
m−=∆ 0
( ) 22333
2221 2
121
21
sin UDL
fUKUKgL mh
ff ++=∆
8
ModModéélisationlisation –– Calcul du d Calcul du déébit dbit d’’airairConvection naturelle
Conservation de la masse :
θ
L
Circuit d ’air3
4
2
1
33
22 et,
wdmU
wdmU
wdmU
m
&&& ===
et ρ2 ≅ ρ3 ≅ ρm ≅ ρ0
( ) ( )p
THSff C
gLwdP
DL
fKKmsin2 2
021
3 =
++&
Si écoulement laminaire :
/
210
h
n
h
UDRe
Re
f
D
L
fff
=
+
+=
023 =+++ DmCmBmA &&&
Couplage débit / transfert convectif
9
ModModéélisationlisation –– Ecoulement d Ecoulement d’’airair
Validation : comparaison avec outil de type CFD (‘EtuCo’ – LEEVAM, Univ. Cergy)
θ
Paroi adiabatiqueParoi opaque
Flux incident(rayonnement solaire G)
ExtérieurL
d x
y
Ecoulement turbulentModèle détaillé
0,00E+00
5,00E-01
1,00E+00
1,50E+00
2,00E+00
2,50E+00
0,00E+00 2,00E-02 4,00E-02 6,00E-02 8,00E-02 1,00E-01 1,20E-01
y (m)
u (
m/s
)
10
ModModéélisationlisation –– Ecoulement d Ecoulement d’’airair
Validation : comparaison avec outil de type CFD (‘EtuCo’ –LEEVAM, Univ. Cergy)
θ
Paroi adiabatiqueParoi opaque
Flux incident(rayonnement solaire G)
ExtérieurL
d x
y
Ecoulement laminaire
0,00E+00
5,00E-02
1,00E-01
1,50E-01
2,00E-01
2,50E-01
3,00E-01
3,50E-01
4,00E-01
4,50E-01
5,00E-01
0,00E+00 2,00E-02 4,00E-02 6,00E-02 8,00E-02 1,00E-01 1,20E-01
y (m)
U (
m/s
)
• Si la valeur du coefficient d’échange convectif calculée par les corrélations est remplacée par la valeur
calculée avec le modèle ‘EtuCo’, l’écart sur la puissance thermique passe de 64 % à 25 %.
11
ModModéélisation - Blisation - Bââtiment et systtiment et systèème solaireme solaire
Modèle thermique de bâtiment• Modèle aux différences finies réduit par analyse modale• Découpage en zone thermique• Modèle dynamique, prise en compte de l’inertie• Conception bioclimatique (assurer un niveau de confort tout en minimisant les besoins énergétiques, en prenant en compte
le climat)• Solaire passif (véranda, vitrage, protection solaire…)
Développement logiciel : outil de simulation ‘COMFIE’ (CENERG)
Structure de données :
Enveloppe du bâtiment et composant solaire
Exemple : capteur à air
: isolant
: absorbeur
: couverture
: mouvement d’air
: parois du bâtiment
Légende :
: enveloppe du bâtiment
TZ1
(a) Bâtiment mono-zone
TZ2 TZ1
(b) Bâtiment mono-zone+ capteur à air
Couplage composant solaire / bâtiment
12
ModModéélisation dlisation d’’une paroi selon son inertie thermiqueune paroi selon son inertie thermique
Si I > 25 Wh/K/m2, n mailles, raison géométrique r
e, e x r, e x r2 ….. e x rn-1
Pour les parois légères, 1 maille
1 maille également du côté extérieur à un isolant
13
Couplage systCouplage systèèmes solaires et bmes solaires et bââtimenttiment
Capteur hybride : Légende :
: enveloppe du bâtiment: couverture du capteur à air: absorbeur du capteur à air: circuit d’air: isolant
θ
Tz
Text
P0
P3
P1
P2
TcLc
Chauffage d’air
• Convection naturelle
14
Aspect environnemental Aspect environnemental –– ACV du b ACV du bââtimenttiment
Outil de simulation de cycle de vie de bâtiment : EQUER
Intégration de composants solaires
Collecte de base de données
- vitrages
- polycarbonate
Construction Utilisation Déconstruction
Déchetsultimes
Produitsrecyclables
Chauffage, Eau,Climatisation,
Electricité,Déchets ménagers,
Transports quotidiens
Nouveauxproduits
Produitsrecyclés Remplacement et
Maintenance
15
Etudes paramEtudes paraméétriques, optimisationtriques, optimisation
Type de vitrage,
transmission selon
l’angle d’incidence
Maçonnerie, standards actuels (béton ou
parpaings)
Orientation et surface du mur
Type d’enduit (propriétés optiques)
1.0
0.6
0.4
0.2
0.8
0.0
g
θ (°)20 40 60 80
: simple vitrage: double vitrage
Figure 5.1 : facteur solaire en fonction de l'angle d'incidence.
16
Protection contre les surchauffes dProtection contre les surchauffes d’é’éttéé
Blocage de la circulation d’air
et isolation
Ventilation naturelle du mur solaire
Protections solaires
Masques architecturaux
FaFaççade sudade sud FaFaççade ouestade ouest
17
COMFIE (simulation thermique) www.COMFIE (simulation thermique) www.izubaizuba..frfr
Besoins de chauffageBesoins de chauffageet de climatisationet de climatisation
Profils deProfils detemptempéératurerature
18
ApplicationApplication –– Cas d Cas d’é’étudetude
Immeuble HLMde 52 logements
Maison individuelle
Bâtiment résidentiel
L1
L2
maçonnerie
vitrage
bardagebois
isolant
mouvementd’air
19
RRéésultats de lsultats de l’’analyse thermiqueanalyse thermique
Immeuble HLM, réduction des besoins de chauffage
40
60
80
100
120
140
160
180
0 2 4 6 8 10 12 14
épaisseur d'isolant (cm)
bes
oin
s d
e ch
auff
age
(kW
h/m
2/an
)
simple vitrage
double vitrage
avec mur solaire
20
RRéésultatssultats –– Cas d Cas d’é’étudetude
Productivité, réduction des besoins de chauffage en kWhpar m2 et par an
0
50
100
150
200
250
0 2 4 6 8 10
Pro
du
cti
vit
é (
kW
h/m
?)
Résid. collectif (type 1)
Résid. individuel
Résid. collectif (type 2)
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Variations paramVariations paraméétriquestriques –– Cas d Cas d’é’étudetude
Variation de la productivité en fonction desdifférents paramètres (base = 160 kWh/m2/an)
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
Emissivitéenduit = 0,9
Double vitragestandard
Triple vitrage Orientation :sud-ouest
Orientation :Sud-est
Surface diviséepar 2
%
22
ConclusionsConclusions
Modélisation de systèmes solaires intégrés au bâtiment
Couplage des différents transferts thermiques
Couplage mur solaire / bâtiment
Collecte de données sur les impacts environnementaux
Implémentation dans un ensemble logiciel
Outil de simulation pour professionnel du bâtiment
Application sur 3 cas d’étude
Simulation thermique des bâtiments intégrant des murs solaires
Optimisation du composant
Modèle de connaissance permettant de connaître l’intérêt
environnemental de différents murs solaires
Perspectives : optimisation et bilan technico-économique
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