Evaluation des Performances d`un Mur Trombe

Rev. Energ. Ren. : Valorisation (1999) 195-198
Evaluation des Performances d’un Mur Trombe
K. Imessad et M. Belhamel
Centre de Développement des Energies Renouvelables, B.P. 62, Route de l'Observatoire, Bouzaréah, Alger
Résumé - Le mur capteur–stockeur reste l'un des systèmes les plus ingénieux pour le chauffage passif des
locaux. Les performances de ce mur dépendent de plusieurs paramètres, à savoir : sa nature, son épaisseur,
présence ou non de thermocirculation. Dans ce travail, une simulation du comportement thermique d'un
local muni d'un mur Trombe a été effectuée pendant des journées type d'hiver et d'été en faisant varier ces
paramètres. Deux approches théoriques pour quantifier le flux de chaleur échangé par thermocirculation ont
été proposées, les résultats obtenus ont permis de recommander celle qui se rapproche avec les résultats
expérimentaux présentés par la littérature.
Abstract - The Trombe wall is one of the most ingenious systems in passive heating. The performances of
this system depend on parameters, such as; material, wall thickness, presence or not of thermocirculation. In
this context a simulation of the thermal behaviour of an equipped Trombe wall housing has been realised for
winter and summer typical days. Two theoretical approaches for calculating the thermocirculation heat
transfer have been used, the obtained results allowed to recommend the nearest one to the experimental
results presented in literature.
Mot clés: Energie solaire - Mur Trombe - Thermocirculation.
1. INTRODUCTION
L’utilisation de l’énergie solaire dans le domaine de l’habitat pour réduire sa consommation énergétique a
fait l’objet de plusieurs études. Une technique de chauffage se basant sur un système de captation solaire, de
stockage et de restitution de la chaleur a été développée au C.N.R.S (France) par le Professeur Trombe.
Fig. 1: Le mur Trombe
Le mur Trombe est un système simple et intéressent de captage de l’énergie solaire. Il est constitué d’un mur
vertical en maçonnerie lourde orienté vers le sud et muni de deux orifices permettant la circulation de l’air entre
le local et la serre formée par la surface réceptrice du mur et le vitrage qui le précède.
2. THERMOCIRCULATION
Le mur capteur transmet l’énergie solaire captée par deux moyens, une partie est transmise par conduction à
travers le mur qui la restitue à l’intérieur du local par convection, alors que la deuxième partie se transmet par
circulation naturelle de l’air chaud se trouvant dans la cheminée solaire à travers les orifices. Le débit de cet air
peut être calculé par la relation suivante [4] :
m = ρ Ad
2 g H ( T m − T in )
(1)
C Tm
195
K. Imessad et al.
196
2
 Ad 
C = C1 .
 + C2
 Av 
C1 = 8 et C2 = 2.
Deux approches différentes pour le calcul de la température le long de la cheminée solaire ont été utilisées.
Les résultats expérimentaux ont été tirés d’une étude faite en Toscane (Italie) sur un local ayant les
caractéristiques suivantes [1]:
Surface du mur Trombe : 32.5 m2.
Epaisseur du mur Trombe : 60 cm.
Surface des orifices de circulation : 5 % de la surface du mur Trombe.
Volume de la pièce : 244 m3.
Première approche : La variation de la température de l’air le long de la cheminé solaire (Tm) est supposée
être linéaire.
m.Cp .
dTm
= hc.( T1 − Tm ) + hc.( Tg − Tm )
dt
(2)
Deuxième approche : La variation de Tm est supposée être non linéaire [2].
 2.h .A  
 2.Tin − T1 −Tg )   m.Cp
 − c  − 1
. −
Tm = Tin + 
.
exp
  2.h .A
 m.Cp  
2
c



 
(3)
Afin de recommander celle qui se rapproche le mieux avec la réalité, nous avons procédé à un travail de
simulation, le modèle analogique est représenté sur la figure 2.
Fig. 2: Schéma électrique du mur
Température (°c)
Il en ressort d’après la figure3 que l’approche théorique considérant une variation linéaire de la température
le long de la cheminée solaire surestime le flux échangé par thermocirculation contrairement à la deuxième qui
donne des valeurs proches des résultats réels.
22
20
18
16
14
T6 (2)
12
T6(1)
T6 exp
10
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
Heure
Fig. 3: Evolution de la température interne du local avec deux méthodes
pour l’évaluation du flux échangé par thermocirculation
JNVER : Evaluation des Performances d’un Mur Trombe
197
Tableau 1: Flux par thermocirculation
Modèle
Variation linéaire de la température
Variation en exponentielle
Qc (MJ)
1.8
0.86
L’intérêt de la thermocirculation et son effet sur l'évolution de la température intérieure du local est illustré
par la figure 4, nous remarquons que la présence de la thermocirculation conduit à un bilan thermique
légèrement supérieur.
Température (°C)
16
15
14
13
12
Avec thermocirculation
Sans thermocirculation
11
10
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
Heure
Fig. 4: Influence de la thermocirculation sur la température interne du local
3. PERFORMANCES DU MUR TROMBE (NORD DE L'ALGERIE)
Afin d’évaluer les performances d’un tel dispositif dans les conditions climatiques du nord de l’Algérie, une
comparaison a été effectuée entre un local muni d’un mur Trombe de 40 cm d’épaisseur et un local classique sur
des journées types d’hiver et d’été, il en résulte d’après la figure 5 que la mise en place d’un mur Trombe
engendre un gain d’environ 6 °C.
T(°C)
25
23
21
19
17
15
13
11
Text
Tint avec mur Trombe
9
Tint sans mur Trombe
7
5
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
Heure
Fig. 5: Evolution de la température du local en hiver
4. EFFET DES DISPOSITIFS DE PROTECTION SOLAIRE
Pour maintenir le local frais pendant les journées chaudes d’été il est nécessaire de prévoir une protection
solaire, la figure 6 montre que la mise en place de store vénitien peut diminuer la température intérieure du local
d’environ 3 °C.
K. Imessad et al.
T (°C)
198
33
31
29
27
25
23
Text
21
Tint
19
Tint (cas avec store)
17
15
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
Heure
Fig. 6: Evolution de température la du local en été
5. CONCLUSION
L’utilisation de l’énergie solaire dans le bâtiment doit être un des axes primordiaux de recherche en Algérie
qui présente un potentiel d’énergie solaire assez considérable, dans l’étude qui a été présentée le mur Trombe
paraît comme une solution intéressante pour l’économie de l’énergie.
La comparaison de deux approches théoriques évaluant le flux de chaleur échangé par thermocirculation
montre que l’approche considérant une variation en exponentielle de la température le long de la cheminée
solaire se rapproche mieux avec le phénomène réel, si la présence de thermocirculation conduit à un bilan
légèrement meilleur, elle peut néanmoins être la cause d’inconfort en été.
NOMENCLATURE
m : Débit massique
(kg/s)
(J/kg°C)
Cp : Chaleur massique
(°C)
Tm : Température de l’air dans le canal
(°C)
Text : Température extérieure
(°C)
T1: Température de la vitre
Tg : Température de la face externe du mur (°C)
(°C)
Tin : Température d’entrée
A : Surface du mur Trombe
Ad : Surface du canal
Av : Surface des orifices
H : Distance entre les orifices
h : Coefficient de convection
Qc : Flux par thermocirculation
g : Constante gravitationnelle
(m2)
(m2)
(m2)
(m)
(W/m2)
(MJ)
(m/s2)
REFERENCES
[1] A. Zerrouki, ‘Expérimentation d’un Capteur Solaire à Air avec Absorbeur en Forme de Persiennes pour une Utilisation en Architecture’.
Thèse de Magister, Centre d’Etudes Nucléaires et Solaires, 1986.
[2] A. Akbarzadeh, W.W.S. Charters and D.A. Lessbi, ‘Thermocirculation Characteristics of a Trombe Wall Passive Test Cell’, Solar
Energy, Vol. 28, N°6, 1982.
[3] E.H. Bouguerra, B. Bouyousfi et N. Retiel, ‘Etude et Optimisation d'un Mur Trombe’, Congrès sur les Energies Renouvelables, La
Maîtrise de l’Energie et l’Environnement, Biskra, Novembre 1997.
[4] D.M. Utzinger, ‘Analysis of Building Components Related to Direct Solar Heating of Building’, M.S. Thesis, University of Winconsin,
Madison, 1979.