Etude et conception d'un systeme de climatisation utilisant le rayonnement solaire

PARTIE II : PARTIE EXPERIMENTALE

CHAPITRE II : CONCEPTION ET DIMENSIONNEMENT DES

COMPOSANTS DE L'INSTALLATION SOLAIRE

Etant donné qu'il est difficile aujourd'hui de trouver un logiciel facile d'emploi qui permette un choix simple rapide de la technologie de rafraîchissement solaire la plus adaptée et du dimensionnement du système, pour cette raison, une étude de faisabilité est fortement recommandée au début du projet.

L'étude peut comporter les étapes suivantes :

· Détermination des besoins en froid et en chauffage;

· Sélection de la technologie de rafraîchissement la plus adaptée ;

· Conception et dimensionnement des composants :

- Taille du champ des capteurs ;

- Taille des dispositifs de stockage ;

- Etc....

· Analyse du système de régulation;

· Calculs des consommations (électricité, eau et gaz)

Les cinq points énumérés feront l'objet du développement de notre sujet.

II.1. Calcul de la charge thermique [Cf. Bibliographie: 2, 3,11]

Ce calcul conduit à la détermination des besoins en froid et en chauffage.

Il s'agit d'établir le bilant de toutes les charges thermiques d'origine extérieur et intérieure au bâtiment à climatiser. Il faut noter que la puissance installée pour la production du froid est évaluée sur base de la charge thermique, qui est la somme de toutes les charges internes et externes qui affectent l'équilibre entre l'environnement intérieure à rafraîchir et l'environnement immédiat

Le "programme bilan therm" (Cf. Bibliographie), nous permet d'effectuer les calculs de bilans thermiques et de déperditions pour les locaux à climatiser et notamment d'en estimer la puissance frigorifique et thermique nécessaire

a) Description du bâtiment à climatiser

Pour être plus réaliste nous nous proposons de concevoir l'installation d'un système de conditionnement d'air à énergie solaire pour la climatisation d'une salle de conférence dont la capacité d'accueil totale est estimée à 100 personnes, la surface totale du bâtiment à climatiser est de 400 m² et le volume total vaut 1200 m ³ .

Les deux façades latérales sont munies chacune de deux parois vitrées de 3 m² de surface. La couverture est assurée par une toiture en tôles d'acier (acier inox. 15%Cr, 10%Ni) de 600 m² de surface .L'intérieur est éclairé par 4 tubes suspendus au plafond dont la puissance d'éclairage est de 20 w/m² chacun (éclairage fluorescent).

Il est impérativement utile de prévoir au stade de la conception du bâtiment, un local appelé "local technique" destiné à abriter les matériels de l'installation

b) Puissance frigorifique

La charge frigorifique est la somme des gains de chaleur d'origine interne est externe au local à climatiser.

Ainsi donc la puissance frigorifique est celle que la centrale de climatisation va mettre en oeuvre pour les besoins de la climatisation elle est donc estimée à une valeur supérieure à la charge frigorifique.

Hypothèses des calculs

Dans le cadre de ce travail, nous nous situerons dans la ville de Lubumbashi, qui est une station dont :

- La latitude vaut 11°29 Sud ;

- La longitude vaut 27°28 ;

- L'altitude vaut 1298 m.

Les mesures faites à Lubumbashi sur une période allant du 18 Avril au 20 Octobre, font état des résultats suivants :

- La température maximale absolue est de 36,9°c ;

- La température maximale moyenne est de 31,9°c ;

- L'humidité relative minimale absolue est de 10% ;

- L'humidité relative journalière moyenne est de 48% ;

Nous noterons également que la valeur de la vitesse de l'air estimée par M .A .MISSENARD en ambiance calme est comprise entre 0,1 m/sec et 0,25 m/sec.

Généralement la différence de température maximale entre l'intérieur et l'extérieur du local rencontrée dans la littérature est estimée à ?T = 4°c.

Calculs

1) Apports extérieurs par conduction

a) Gains de chaleur des surfaces vitrées Q_vit.

Q_vit = k.S.?T

La salle comporte 4 surfaces vitrées de 3 m² chacune, d'où S = 12 m².

Le coefficient de transfert thermique k du vitrage (en verre) vaut 0,78 w/m² °c

Q_vit = 0,78.12.4 = 37,47 w

b) Gains de chaleur au travers des parois extérieures opaques :

· Mur : Surface S = 588 m²

K_mur = 1,15 w/m² °c (Brique terre cuite)

?T = 4°c

Q_ext1 = 1,15.588.4 = 2704,8 w

· Toiture : Surface S = 600 m²

K = 20 w/m² °c (Acier inox.15%Cr, 10%Ni)

?T = 4 °c

Q_ext2 = 20.600.4 = 48000 w

Q_ext = Q_ext1 + Q_ext2 =2704,8+ 48000 = 50704,8 w (chaleur sensible)

2) Apport par ventilation,infiltration d'air

Les apports thermiques (énergie sensible et latente) provenant de l'infiltration d'air dû à la perméabilité des ouvrants dans la salle conditionnée et de l'introduction d'air neuf extérieur pour la ventilation doivent être pris en compte.

Ces apports thermiques se décomposent en chaleur sensible et chaleur latente:

Chaleur sensible = 0,284.p.q.?T

Chaleur latente = 679.p.q.?H_s

Avec: p, Masse volumique de l'air [kg/m ³]

q, Débit volumique de l'air [m ³/h ]

?H_s, est la différence entre l'humidité spécifique extérieure et intérieure du local

[kg/h.kg air]

Le débit d'air volumique recommandé pour une salle de conférence est de 18m³/h. personne

(Cf.Bibliographie:Conception et calcul des procèdes de climatisation) : Il s'agit du débit d'air neuf introduit par ventilation et non par infiltration

Le nombre d'occupants étant fixé à 100 personnes, ce qui conduit à un débit total de:

Q = 18.100 = 1800 m ³/h

La masse volumique, à une température donnée t, est déterminée par la formule suivante:

p = (Cf. Bibliographie)

Or, dans le cas d'espèce la température maximale moyenne est de 31,9 °c ; d'où:

p = = 1,15775 kg/m ³

Nous aurons ainsi:

Chaleur sensible = 0,284.1, 15775.1800.4 = 2367,36 w

3) Apports internes

a) Occupants

En rapports avec les apports internes, nous signalons que l'homme est aussi assimilé à un générateur thermique dont l'énergie est produite par son activité physique et par la combustion lente des aliments.

Le métabolisme est donc fonction du type d'activité. Et dans le cas d'espèce, l'activité est du type: "assis et mouvement modéré", ce qui conduit à un bilan thermique dont la chaleur sensible est estimée à 76,8 w/personnes et la chaleur latente à 51,2 w/personnes (Cf. Bibliographie:Bilan therm)

Ainsi donc pour un total de 100 personnes nous aurons :

· Chaleur sensible = 76,8.100 = 7680 w

· Chaleur latente = 51,2.100 = 5120 w

b) Eclairage électrique

Les éclairages contribuent aux apports sensibles seulement. La chaleur sensible relâchée par les éclairage est calculée comme suit:

Q = P_c.F_b.A_m.t_x

Où :

· P_c: Puissance en watts totale obtenue à partir des estimations de tous les équipements

installés

Dans le cas d'espèce il y a au sein du local 4 tubes dont chacun a une puissance d'éclairage de 20 w/m².

La puissance totale sera donc égale à:

P_c = 80.400 = 32000 w

· F_b = 1,15 (éclairage fluorescent) :

· A_m = 0,88 : Coefficient d'amortissement

· t_x = 0,6 : Coefficient de simultanéité

D'où Q vaut : Q = 32000.1,15.0,88.0,6 = 19430,4 w

4) Estimation de la valeur de la puissance

Il est impératif de s'assurer que lors de la sélection d'un appareil de climatisation dans un local donné, la puissance froid soit donnée en chaleur sensible et que cette puissance soit égale ou supérieure au bilan thermique calculé en chaleur sensible.

Ainsi donc concernant notre salle de conférence, la puissance frigorifique de l'appareil de climatisation ou de production d'eau glacée sera estimée à :

P = 50704,8+2367,36+7680+19430,4 = 80182,56 w

Pour couvrir certains apports thermiques dus à une éventuelle présence des équipements divers (équipements informatiques, machines, moteurs,...) ce résultat est majoré par un coefficient de sécurité s = 1,2.

D'où la capacité sera de : P = 80182,56.1,2 = 96219,072 w froid

Soit, P = 96,219 kW froid