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REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L'ENSEIGNEMENT SUP

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L'ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE UNIVERSITE MOULOUD MAMMERI DE TIZI OUZOU FACULTE DU GENIE DE LA CONSTRUCTION DEPARTEMENT DE GENIE MECANIQUE Mémoire En vue de l’obtention du diplôme de magister en Génie mécanique Option thermo-fluides (Energétique) Présenté par : Farida SAM Sur le thème : Devant le jury composé de : Mr KESSAL Mohand Professeur UMB/Boumerdes Président Mr DAHLI Mohamed Maitre de conférences A UMMTO Rapporteur Mr AIT AIDER Aomar Maitre de conférences A UMMTO Examinateur Mr BOUTOUDJ Mohamed Saïd Maitre de conférences A UMMTO Examinateur Mr KOUSSA Mustapha Chargé de recherche CDER/Bouzareah Invité Soutenu le : 04/03/2012 REHABILITATION THERMIQUE D’UN LOCAL DANS UNE ZONE ARIDE -CAS DE GHARDAIA - i AVANT PROPOS……………………………………………………………………………………………......iv LISTE DE FIGURES ET TABLEAUX…………………..……………………………………………………vii NOMENCLATURE…………………………………………………………………………………………..….ix RESUME…………..……………………………………………………………………………………………xiii CHAPITRE INTRODUCTIF…..………………………………………………………………………...……...1 PARTIE 1 : REPERES THEORIQUES..…………………………………………………………………….....8 PREMIER CHAPITRE : CONFORT THERMIQUE OBJECTIF DE TOUTE CONCEPTION ARCHITECTURALE………………………………………………………………………………………….....9 Introduction…………………………………………………………………………….........10 1.1. EVALUATION DU CONFORT THERMIQUE…………………...………………………....10 1.1. Température opérative Top………………………...………………….…………...…………...…10 1.2. Utilisation du diagramme psychrométrique.................………………………...……………...11 1.2. LES FACTEURS AGISSANT SUR LE CONFORT THERMIQUE………………………….11 1.2.1. L’orientation…………………………………………………………...…………...…………......11 1.2.2. La ventilation naturelle…………………......................………………………...……………...12 1.2.3. Dimension des ouvertures..……..…………...…………………………………...……………...13 1.2.4. La forme et compacité…………………….....………………..…………………...……………..13 1.2.5. La couleur………………………………...……………………….……………......……………...14 1.2 6. Protection solaire et vents dominants……….…………………...……………...……………...15 1.2.7. Isolation thermique …………………………….…………………………..……………….…….16 1.2.8. Inertie thermique…………...………..……….…….…………………….……………….………20 Conclusion……………………………………………………………………………............22 PARTIE 2 : CAS D’ETUDES…………………...……………………………………………………………...23 DEUSIEME CHAPITRE : PRESENTATION DU PROJET ET SOLUTION BIOCLIMATIQUE ADOPTEE (ETUDE EXPERIMENTALE ET NUMERIQUE)……………………………………………...24 Introduction…………………………………………………………………………………25 2.1. PRESENTATION DU PROJET………………………………..………………………...…....26 2.1.1. Situation du projet…………………………………………….…………………………………...26 2.1.2. Diagnostic et instrumentation de mesure………………….……………………………………26 ii 2.1.2.1. Commentaire sur les résultats de températures mesurés avant réhabilitation…..27 2.1.2.2. Résultats de températures mesurés avant réhabilitation………………….....…..28 2.2. APPLICATION A LA METHODE PSYCHROMETRIQUE....………………………...…...29 2.2.1. Interprétation du diagramme psychrométrique.................................................................29 2.2.2. Propositions bioclimatiques………………………………………………………………...…...30 2.2.3. Solutions adoptées……………………………………….………………………………………..30 2.3. REHABILITATION DU LOCAL..………………....…………………………………………31 2.3.1. Travaux de réalisation sur terrains……………………………………………………………..31 2.3.2. Instrumentation de mesure…………..………...…………………………….……………….…..32 2.3.2.1. Commentaire sur les résultats de températures mesurés après réhabilitation…....33 2.3.2.2. Résultats de températures mesurés avant et après réhabilitation……………...…36 2.4. ETUDE DE l’EVOLUTION DE TEMPERATUE AVANT ET APRES REHABILITATION POUR LES MOIS LES PLUS FROIDES DE L’ANNEE A DIFFERENTES SOURCES DE CHALEUR CONVENTIONNELLE………………..…………….………………………………...…39 2.4.1. Modèle mathématique adopté……………………………….…………………………………...39 2.4.1.1. Bilan thermique en régime quasi-permanant……………………………..….......40 2.4.1.2. Bilan thermique en régime transitoire……………………………………………42 2.4.2. Commentaire sur les résultats de températures calculés avant et après réhabilitation….43 2.4.3. Résultats de températures calculés pour une période froide de l’année…...………………44 2.4.4. Valeurs de déperditions thermiques avant et après réhabilitation..………………………...49 Conclusion…………………………………………………………………………………....49 TROISIEME CHAPITRE : INTEGRATION D UNE INSTALLATION SOLAIRE THERMIQUE POUR LE CHAUFFAGE DU LOCAL ( DIMMENSIONNEMENT ET CALCUL DES PERTES THERMIQUES DE L INSTALLATION SOLAIRE – CALCUL DE LA TEMPERATURE DE CONFORT EN REGIME TRANSITOIRE SUIVANT LA METHODE NODALE……………………………………….………...…...50 Introduction………………………………………………………………………………….51 3.1. ETUDE DE L’INSTALLATION SOLAIRE THERMIQUE..………………………...………52 3.1.1. Dimensionnement de l’installation solaire..………………………………………………….52 3.1.1.1. Méthode de degré-jours.………………………………………………………..52 3.1.1.2. Méthode de f-Chart………………......…………………………………………52 3.1.2. Le gisement solaire.……………………….....…………………………………………………..54 3.1.3. Application………...……………………….....……………………………………………….....55 3.1.3.1. Les différents organes de l‘installation lors de dimensionnement..........55 iii 3.1.3.2. Allure de dimensionnement de l’installation………….………………..55 3.1.3.3. Présentation générale de l’installation après dimensionnement ...……..56 3.1.4. Bilan de l’installation………………...………………………………………………………..…56 3.1.4.1. Bilan thermique de la plaque absorbante……………………………………….....56 3.1.4.2. Bilan thermique de la cuve de stockage……………………...…………………....60 3.1.4.3. Etude de l’échangeur de chaleur……...…………...……………………………....63 3.1.4.4. Bilan thermique du radiateur…………………..………………………………….64 3.1.2.5. Commentaires sur les résultats trouvés…………..………………...…...................65 3.1.2.6. Résultats de l’installation solaire…....…………...……………………..................66 3.2. METHODE NODALE……………………………………………………………………......69 3.2.1. Description de la méthode retenue……………………………………………………...69 3.2.2. Mise en équation………………………………………………………………………..69 3.2.2.1. Bilan d’énergie du local………………………………………………………...69 3.2.2.2. Développement de l’équation générale dans une paroi………………………...69 3.2.3. Analyse des différents modes de transfert…...………………………………………....70 3.2.3.1. Echange radiatif………………………………………………………………....70 3.2.3.2. Echange convectif…..…………………………………………………………...72 3.2.3.3. Echange conductif……...……………………………………………………..…75 3.2.4. Application à la méthode nodale…………………………………………………….....75 3.2.4.1. Discrétisation…….………………………………………………………..…….75 3.2.4.2. Système d’équation dans le local……………………………………….……….76 3.2.5. Résolution numérique…………….………………………………………………….....79 3.2.5.1. Commentaire sur les résultats calculés………………………………………….80 3.2.5.2. Résultats de températures calculés ……...………...……………………………81 Conclusion…………………………………………………………………………..………..82 CONCLUSION GENERALE………………………………………………………………………………..…84 BIBLIOGRAPHIE…………………………………………………………………………..…………………..88 ANNEXE :………………………………………………………………………………………………………..94 ANNEXE 1: FORMULE D’IRRADIATION GLOBALE SUR LE PLAN INCLINE……..…….………...95 ANNEXE 2 : COEFFICIENT DE PERTE GLOBALE UL DU CAPTEUR………………………………...96 v Avant-propos Ce mémoire soutenu à l'université Mouloud MAMMERI de Tizi-Ouzou (département de Génie Mécanique), a été élaboré à partir d’une recherche bibliographique diversifiée et multidisciplinaire traitant du domaine de la thermique de l’habitat et à travers une partie d’un PNR (Projet National de Recherche) effectué à l’URAER1. Les travaux de réalisation sur terrain ont été soutenus principalement par le CDER2, afin de réaliser une maison d’hôte assurant un certain confort pour l’habitant. Notant, aussi, que le sujet traité, ne constitue qu’une suite et une continuité d’un thème déjà développé portant sur la modélisation solaire thermique d’une habitation. Cette expérience, nous a passionné et encouragé afin d’élaborer un sujet qui va dans le même sens, mais avec plus de détails et de recherche sur le volet traitant de la thermique de l’habitat. Pour l’élaboration de ce mémoire, je souhaite exprimer ma reconnaissance envers les personnes qui m’ont apporté leur aide et qui ont contribué à l’élaboration de ce travail ainsi qu’à la réussite de cette formation. Les remerciements s’adressent à : Monsieur Mohamed DAHLI, maitre de conférences à l’université de Tizi-Ouzou, qui, en tant que directeur du mémoire, pour son encadrement et le suivi du sujet. Son orientation m’a beaucoup servie à mener à bien ce travail. Monsieur Mustapha KOUSSA, chercheur au sein du CDER, qui m’a permis de travailler et de porter ma contribution sur une partie de son travail de PNR, et qui fait objet de mon travail de recherche. Il est pour beaucoup dans mon expérience sur terrain ainsi que la programmation. Son exigence, son expérience et sa rigueur, m’ont beaucoup aidé afin de développer un travail bien fini et qui me servira à l’avenir. Monsieur Maouf BELHAMEL directeur général du CDER, de m’avoir encouragé depuis mes débuts en tant qu’employée au niveau du centre, et à effectuer des travaux traitant de la bioclimatique, afin d’approfondir mes connaissances en thermique de l’habitat. Madame Samira Kerdjou CHADER, directrice de l’URAER, qui m’a bien encouragée afin de bien finaliser mon mémoire et ce juste après son installation au sein de l’unité. Mes enseignants en post-graduation du département de Génie Mécanique (énergétique), Notamment Monsieur Saïd MAKHLOUF, qui est toujours soucieux de la réussite des ses étudiants. Sa conscience professionnelle et son inquiétude m’ont permis d’avancer et de m’intéresser de plus à mes travaux de recherche. Ainsi, Monsieur Nacer LAMROUS, qui m’a beaucoup appris durant son encadrement en graduation. 1 URAER : Unité de Recherche Appliquée en Energie Renouvelable sise à Ghardaïa 2 CDER : Centre de Développement des Energies Renouvelables sise à Alger/Bouzareah vi Monsieur Arezki DJEBBAR, chef de département de Génie-mécanique, de m’avoir aidé à surmonter quelques difficultés administratives. Ainsi, à toute l’équipe chargée de poste graduation. Tous le personnel de la station météorologique de Ghardaïa, en particulier Monsieur Abdelkader SALMI, premier responsable, ainsi que Messieurs Nourddine NAGNAGH et Mohamed DJAB ELLAH, chefs de sections, de m’avoir fourni toutes les données nécessaires pour mon travail. Je les remercie aussi pour l’accueil qu’ils me réservent à chaque sollicitation. L’équipe du personnel de l’OPVM3, de m’avoir fourni de la documentation et cartes sur l’urbanisme et la construction de la région. Aussi, le personnel des forêts d’El Atteuf de m’avoir donné des connaissances sur les variétés de végétation adaptées à la région. Ainsi, le personnel du CNERIB 4, pour les renseignements concernant les caractéristiques thermo- physiques de quelques matériaux de construction utilisés dans cette étude. Tous les consultants et internautes rencontrés lors des recherches effectuées et qui ont accepté de répondre à mes questions avec gentillesse. Monsieur Mohand KESSAL, Professeur à l’université de Boumerdes, Messieurs Aomar AIT AIDER et Mohamed Saïd BOUTOUDJ, Maitres de conférences à l’université de Tizi-Ouzou, qui ont eu la gentillesse de lire et corriger ce travail, en espérant que leurs remarques, orientations et conseils me seront utiles pour la continuité de mon processus de formation. Ma famille, en particulier ma mère, pour leurs encouragements et leur patience. Enfin, mes collègues de travail de l’URAER et du CDER, pour leurs soutiens, ainsi que mes amis (es), qui m’ont toujours soutenue et encouragée au cours de la réalisation de ce mémoire. Ceux que j’ai oublié de citer sachent combien je leur serais toujours reconnaissante. Merci à tous et à toutes. 3 OPVM : Office de Protection de la Vallée du M’Zab de Ghardaïa 4 CNERIB : Centre National d’Etudes et de Recherche Intégrées du Bâtiments sise à Alger vii Liste des figures, photos et tableaux Numérotation Figures Figure 2.1 Evolution de la température extérieure avec l’humidité relative avant réhabilitation pour la saison d’été Figure 2.2 Evolution de la température intérieure avec la température extérieure avant réhabilitation pour la saison d’été Figure 2.3 Evolution de la température intérieure du local avant réhabilitation du 23-25/07/2003 Figure 2.4 Evolution de la température extérieure avec l’humidité relative pour la saison d’hiver Figure 2.5 Evolution de la température intérieure avec la température extérieure avant réhabilitation pour la saison d’hiver Figure 2.6 Evolution de la température intérieure du local avant réhabilitation du 26-29/12/ 2003 Figure 2.7 Résultats de l’application au diagramme psychrométrique Figure 2.8 Profil de température intérieure avec la température extérieure après isolation du 22/07/2004 Figure 2.9 Profil de température intérieure avec la température extérieure après isolation du 03/07/2008 Figure 2.10 Profil de température intérieure avec la température extérieure du studio isolé et celui accolé non isolé du 23/07/2004 Figure 2.11 Comparaison de la température de surface de toiture entre studio isolé uploads/Ingenierie_Lourd/ memoire-pdf-fini.pdf