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Républiqu Ministère de l’Ensei Univer Faculté d Unité de Reche En ETUDE ENERGET

Républiqu Ministère de l’Ensei Univer Faculté d Unité de Reche En ETUDE ENERGETI ET EAU CHAUDE SAN Sout Président : Mr CHABANE SA Directeur de thèse : Mr BENYO Examinateurs : Mr HADDADI M Mr HAMIDAT A Mr MALEK Ali, Mr BIBI TRIKI An que Algérienne Démocratique et Popula seignement Supérieur et de la Recherch ersité Abou - Bekr Belkaïd - Tlemcen é des Sciences. Département de Physiq herche Matériaux et Energies Renouve THESE DE DOCTORAT Physique Énergétique et Matériaux Par RAZIKA KHARCHI Thème : ETIQUE DE CHAUFFAGE, RAFRAIC ANITAIRE D’UNE MAISON TYPE EN utenue le 1er Juillet 2013, devant le jury : ARI Nasr Eddine, Professeur, Université de Tle OUCEF Boumédiène, Professeur, Université de Mourad, Professeur, Ecole Nationale Polytechn Abderrahmene, Directeur de Recherche, CDER A , Directeur de Recherche, CDER Alger I Nasr Eddine, Professeur, Université de Tlemcen Année universitaire 2012 / 2013 ulaire che Scientifique en ique velables RAFRAICHISSEMENT E EN ALGERIE Tlemcen de Tlemcen chnique Alger cen REMERCIEMENTS Mes sincères remerciements au Professeur BENYOUCEF pour son encadrement et ses bons conseils pendant ces années de travail et de coopération avec le centre de développement des énergies renouvelables à Bouzaréah. Je remercie Dr. CHABANE SARI, Professeur à l’université Abou Bekr Belkaid de Tlemcen, d’avoir accepté de présider le jury. Je remercie Dr HAMIDAT, Directeur de recherche au Centre de développement des énergies renouvelables de Bouzaréah, Dr HADDADI, Professeur à l’école nationale polytechnique d’Alger, Dr MALEK, Directeur de recherche au Centre de développement des énergies renouvelables de Bouzaréah et Dr BIBI TRIKI, Professeur à l’université ABOU BEKR BELKAID de Tlemcen, d’avoir accepté de faire partie du jury. Un grand Merci à tous ceux qui m’ont aidé et encouragé, je pense à M BELHAMEL, à mes collègues du CDER et à l’équipe de l’unité TERM, UCL, Louvain-la-Neuve, Belgique. TABLE DES MATIERES TABLE DES MATIERES NOMENCLATURE LISTE DES FIGURES LISTE DES TABLEAUX I. INTRODUCTION GENERALE 1 I.1. Introduction 1 I.2 Paramètres importants à considérer pour une faible consommation énergétique 3 I.2.1. L’enveloppe du bâtiment 3 I.2.2. Ventilation 3 I.2.3. Diffusion de la chaleur et du froid 3 I.2.4. Production d’énergie 4 I.2.5. Le stockage de la chaleur 4 I.2.6. Confort thermique 4 I.3.Conclusion 6 II. ETAT DE L’ART 7 II.1.Introduction 7 II.2.Etat des recherches 7 II.2.1. L’enveloppe du bâtiment 7 II.2.2. Demande énergétique 10 II.2.3. Systèmes utilisés pour le chauffage, rafraichissement et eau chaude sanitaire 19 TABLE DES MATIERES II.2.4. Plancher chauffant/rafraichissant et plafond chauffant /rafraichissant 23 I.2.5.Systèmes photovoltaïques/Thermiques 28 II.3. Conclusion 28 II.4.Problématique 30 III. MODELISATION 31 III.1.Introduction 31 III.2.La température de base (Balance Point Temperature) 31 III.3.Méthode des degrés jours 32 III.3.1.Déperditions thermiques par transmissions surfacique et ventilation 33 III.3.2.Demande énergétique de chauffage par la méthode des degrés jours 33 III.3.3.Demande énergétique de froid par la méthode des degrés jours 35 III.3.4. Demande énergétique d’eau chaude sanitaire 35 III.4.Installation à trois systèmes de stockage (ECS, chauffage et le froid) 36 III.4.1. Capacité des ballons de stockages 37 III.4.1.1.Eau Chaude Sanitaire 37 III.4.1.2.Chauffage 37 III.4.1.3.Rafraîchissement 37 III.5.Besoins énergétique de chauffage d’un logement 38 III.5.1.Évaluation des apports solaires et internes 38 III.5.1.1. Apports solaires par les parois vitrées 39 III.5.1.2.. Apports internes dus aux occupants et aux appareils électriques 40 TABLE DES MATIERES III.5.1.3. Charges thermiques par les parois opaques 40 III.5.2. Demande nette en énergie pour le chauffage de la maison 42 III.5.3.Taux d'utilisation des gains de chaleur mensuels 42 III.6. Demande nette en énergie pour le refroidissement 44 III.7. Energie solaire reçue par le capteur 45 III.8.Taux de Couverture Solaire 45 III.9. Simulation sous TRNSYS16 46 III.9.1.Définition de la maison dans TRNBuild 47 III.9.2.Définition des Output 48 III.9.3. Production d’eau chaude sanitaire 49 III.10. Conclusion 49 IV. DESCRIPTION DE L’HABITAT ETUDIE 51 IV.1.Introduction 51 IV.2. Détails des parois de l’enveloppe de l’habitat étudié et calcul des résistances thermiques 51 IV.3. Données climatiques 54 IV.4. Conclusion 55 V. INTERPRETATION DES RESULTATS ET DISCUSSION 56 V.1.Résultats obtenus par la méthode des degrés jours 56 V.1.1. Chauffage sans apports solaires 56 V.1.2.Apports solaires 60 V.1.3. chauffage avec apports gratuits 64 TABLE DES MATIERES V.1.4. Rafraichissement sans les apports gratuits 65 V.1.5. Rafraichissement en incluant les apports gratuits 68 V.1.6. Taux de couverture solaire 70 V.2.Résultats obtenus par simulation sous TRNSYS 71 V.2.1.Résultats correspondants au chauffage 71 V.2.2.Résultats correspondants au rafraichissement 74 V.2.3.Résultats correspondants à la production d’eau chaude sanitaire 78 VI. CONCLUSION GENERALE ET RECOMMANDATIONS 80 VII. REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES 84 ANNEXES Annexe .1. Température de base (balance point temperature) 91 Annexe .2. Bilan énergétique du bâtiment 92 Annexe .3. Simulation thermique à travers les parois selon Dämmwerk et la simulation thermique à travers les ponts thermiques en utilisant HEAT2. 98 Annexe .4. Influence du site sur la consommation énergétique du chauffage et du rafraichissement Cas de trois sites (Alger, Setif et Béchar). 104 Annexe .5. Niveau de consommation d'énergie primaire 107 NOMENCLATURE NOMENCLATURE Lettres latines a : un paramètre numérique A : la surface de déperdition du bâtiment, exprimée en m² Ai : apports internes (kWh) ASV : apports solaires sur les parois vitrées (kWh) Clocal : capacité thermique effective du local, en J/K; cp : chaleur volumique de l'air égale à 0.34 (Wh/m³K). Cpe : capacité calorifique de l’eau (4 200 (J/kg)/°C), C1 : coefficient d’orientation et d’inclinaison de la paroi considérée DT : déperditions thermiques par transmission surfaciques (kWh) DV : déperditions thermiques par ventilation (kWh) DJC : degrés jours de chauffage (°jour) DJF : degrés jours de rafraichissement (°jour) E : ensoleillement reçu pendant la période de chauffage par une paroi verticale orientée au sud (kWh / m2). Eglobal: irradiation solaire absorbée par le capteur (W/m²) e : épaisseur (m) FR : facteur de conductance Fe : facteur d’ensoleillement, Fts : facteur de transmission solaire de la paroi considérée NOMENCLATURE he,hi : coefficient de convection de l’air extérieur et intérieur (W/m²K) HV : coefficient des pertes par ventilation, (W/K) HT : coefficient des pertes thermiques par transmission surfacique, (W/K) K : coefficient de perte de chaleur (W/K) N : nombre de jours du mois considéré. Pc, Pf ; puissance de chaud et de froid (W) Qcons : consommation de chauffage (W) Qg : gains thermiques dus aux apports solaires et internes (W) QF : demande nette d’énergie pour le rafraîchissement (kWh) QC : demande nette d’énergie pour le chauffage (kWh) QD,C , QD,F : déperditions de chaleur mensuelles par transmission et par ventilation (kWh) Qg,c , Qg,f : gains de chaleur mensuels par ensoleillement et production de chaleur interne pour le chauffage et le froid (kWh) Qu : énergie utile du capteur (W) R : résistance thermique (m²K/W) Scapteur : surface des capteurs solaires (m²) SSE : surface transparente sud équivalente (m²). T : température (K) U : coefficient global de transmission thermique (W/m²K) UL : coefficient des pertes thermiques du capteur (W/m²K) VC : volume du ballon d’eau de chauffage (l), VF: volume du ballon d’eau froide (l) NOMENCLATURE Vecs : volume du ballon d’eau chaude sanitaire (l) V : volume de l’habitat (m3) Lettres grecques facteur de transmission solaire du revêtement du toit β est le taux de renouvellement d'air du local (h-1) : conductivité thermique (W/mK) masse volumique de l’eau ( kg/l), ηc est l'efficacité de l'installation de chauffage : le taux d'utilisation mensuel des gains de chaleur capteur : rendement du capteur solaire γc: le rapport entre les gains de chaleur mensuels et les déperditions de chaleur mensuelles, c la constante de temps en s, Φ, , flux de chaleur (W) Indices C : chauffage F :froid, rafraichissement Ecs : eau chaude sanitaire g : gains thermiques dus aux apports solaires et internes T : transmission surfaciques V : ventilation e , s : entrée et sortie LISTE DES FIGURES ET TABLEAUX LISTE DES FIGURES Figure .1. Déperditions thermiques de l’enveloppe de l’habitat Figure 2.Degrés jours de chauffage sur différentes températures de base Figure3. Demande énergétique de chauffage sur base de 18°C et 15°C pour l’année 2008 Figure 4. Demande énergétique de chauffage sur base de 18°C pour les années 2006-2008 Figure 5.Demande énergétique en Eau Chaude Sanitaire Figure 6. Monotone des charges thermiques pour l’année 2008 sans les apports solaires et internes Figure.7. Evolution de l’éclairement solaire globale sur une paroi verticale à Alger Figure 8. Evolution de l’éclairement solaire globale sur une paroi horizontale à Alger Figure 9. Apports solaires par les parois vitrées Figure 10. Apports solaires transmis par le toit Figure 11. Apports Gratuits (Solaires et Internes) pendant l’année Figure 12.Taux d’utilisation des apports gratuits Figure .13. Demande énergétique mensuelle de chauffage Figure 14. Monotone des charges thermiques pour l’année 2008 en incluant les apports solaires et internes Figure 15. Degrés jours en froid sur base de 22°C et 25°C Figure 16. Demande énergétique de froid sur base de 22°C et 25°C pour l’année 2008 Figure 17. Demande énergétique de froid sur base de 25°C pour les années 2006-2008 Figure 18. Monotone des charges thermiques de froid (2008) Figure 19. Demande énergétique mensuelle de froid (rafraichissement) sur base de uploads/Litterature/ etude-energetique-de-chauffage-rafraichi.pdf