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Etude de l'impact des modèles de confort sur la consommation énergétique des bàątiments en zone tropicalepar Danick NZOKOU CHEDJOU Université de Yaoundé 1 - Master en Physique 2023 |
DEDICACE Mémoire rédigé par NZOKOU CHEDJOU Danick i Je dédie ce modeste travail ; A mes chers parents Silvestre et Helene Chedjou qui ont tout fait pour que je réussisse dans ma vie, que Dieu me les protège, A ma famille et amis. La maîtrise de la demande d'énergie offre des possibilités intéressantes. Toutefois, elle repose en bonne partie sur la volonté du consommateur et nécessite des changements de comportement qui ne s'acquièrent pas facilement et qui prennent du temps à s'implanter. Mémoire rédigé par NZOKOU CHEDJOU Danick ii (AQME 2004) Mémoire rédigé par NZOKOU CHEDJOU Danick iii REMERCIEMENTS Ce travail, est le résultat de plusieurs efforts consentis dont la volonté du tout puissant est à l'origine. Ainsi je ne pourrais manquer d'adresser ma profonde gratitude à toutes les personnes qui ont participé de près ou de loin à la concrétisation ce mémoire. Il s'agit de : Pr NDJAKA Jean Marie, Chef de département de physique, Université de Yaoundé 1. Pr SIMO Elie, Chef de laboratoire d'Energie et Environnement, Département de Physique, Université de Yaoundé 1. Dr NGONO MVONDO Rachel Raïssa, enseignante à l'ENSPY, Université de Yaoundé 1, pour sa disponibilité, sa supervision éclairée tout au long de la rédaction du mémoire. Dr WATI Elvis, pour sa disponibilité, et son accompagnement tout au long de ce travail avec beaucoup de patience, de gentillesse et de multiples conseils. Dr BOPDA Franklin, pour sa disponibilité, et son accompagnement tout au long de ce travail avec beaucoup de patience, de gentillesse et de multiples conseils. Dr DJOMO Raoul Fani, pour son encouragement et motivation. Aux membres du jury, qui malgré leurs multiples occupations respectives, ont lu ce travail afin d'en formuler une juste appréciation qui contribuera à sa perfection. Aux enseignants du Département de Physique, pour leurs enseignements et conseils. Mr/Mme CHEDJOU ; Mr/Mme KEPSEU, pour leur attention, soutien moral et financier. Ma grande mère chérie DJOUELLA MARTINE pour son amour son attention qu'elle m'a toujours donnée. A Mr/Mme FOSSO pour leur attention, encouragement et soutien morale A la famille KEPSEU, CHEDJOU pour leur hospitalité, leur disponibilité, leur disposition et surtout leur amour. A tous mes camarades de la promotion pour les moments passés ensemble au cours de notre formation. Mes amis et ainés : M. TCHINDA Wilfried, Mme MEGOUANG.A, Djayep Prince, OKONOK Lucien, l'équipe de Sci-Ent, Mme DZIFACK Rosine, NNOMO Isacar, je vous remercie énormément pour votre soutien inconditionnel pour vos encouragements. Mémoire rédigé par NZOKOU CHEDJOU Danick iv SOMMAIRE
REMERCIEMENTS iii LISTES DES TABLEAUX vii LISTES DES FIGURES viii LISTE DES ABREVIATIONS x RESUME xiii ABSTRACT xiv INTRODUCTION GENERALE 1 CHAPITRE 1 : 3 ETUDE DE LA BIBLIOGRAPHIE 3 INTRODUCTION 4 I-GENERALITE SUR LE CONFORT THERMIQUE 4 I-1-Definition 4 I-2-Semantique du confort thermique 4 I-2-1-Facteur physiologique 5 I-2-2-Facteur physique 6 I-2-3-Facteur psychologique 8 I-2-4-Autres facteurs (vitesse de l'air, l'humidité relative, la température de l'air, la température moyenne radiante, le climat) 9 II-DIFFERENTES APPROCHES DU CONFORT 12 II-1-La méthode Analytique : FANGER 12 II-2-L'approche adaptative 15 III-LES NORMES DU CONFORT THERMIQUE 17 III-1-La Norme ASHRAE 55 18 III-2-La Norme EN 15251 19 III-3-La Norme ISO7730 21 Mémoire rédigé par NZOKOU CHEDJOU Danick v III-3-La Norme bioclimatique de Givoni 23 VI- ETUDE COMPARATIVE ET ANALYSE DES MODELES DE CONFORT DANS LES NORMES 24 V-L 'EFFICACITE ENERGETIQUE DANS LA RECHERCHE DU CONFORT 26 Conclusion 27 CHAPITRE 2 : 28 MATERIELS ET METHODES 28 INTRODUCTION 29 I- PRESENTATION DU MODELE 29 I-1 Données géométriques du bâtiment. 30 I-2 Modélisation du bâtiment 31 I-3 Propriétés et caractéristiques du modèle 32 II- CHOIX DU CONTEXTE 34 II-1 Classification climatique de la zone tropicale 34 II-2 Sélection des villes de test 37 II-2-1 Yaoundé (Cameroun) 37 II-2-2 Douala (Cameroun) 39 III- LOGICIELS UTILISES ET CARACTERISTIQUE DE LA MACHINE 40 IV- LES EQUATIONS CONDUISANT A LA SIMULATION NUMERIQUE 41 Conclusion 42 CHAPITRE 3 : 43 RESULTATS ET DISCUSSIONS 43 INTRODUCTION 44
NORME ASHRAE 55. 46 II-1 Prédiction de la norme ASHRAE 55 46
Conclusion 50 CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVE 52 BIBLIOGRAPHIE 54 Mémoire rédigé par NZOKOU CHEDJOU Danick vii LISTES DES TABLEAUX Tableau 1: Valeur de l'activité métabolique « met » suivant différentes tâches. 10 Tableau 2 : Correspondances entre PMV et échelle des sensations thermiques. 13 Tableau 3 : Température optimale de confort et les limites supérieure et inferieur des catégories de confort. 20 Tableau 4 : Températures opératives recommandées basées sur la norme ISO7730 [17]. 22 Tableau 5: Estimation du pourcentage PPD et l'intervalle PMV pour les 3 catégories suivant le confort général et l'inconfort local [37]
22 les différents modèles de confort [10]. 27 Tableau 7: Caractéristiques du modèle de référence 32 Tableau 8 : Description des lettres définissant les différents climats [41]. 36 Tableau 9 : valeurs du facteur á 41 Tableau 10 : température opérative de chaque villes en fonction des critères de la norme ASHRAE 55. 46 Mémoire rédigé par NZOKOU CHEDJOU Danick viii LISTES DES FIGURES Figure 1 : L'interaction thermique entre le corps humain et son environnement [12]. 7 Figure 2: La relation globale entre une personne et son environnement [18]. 8 Figure 3: facteurs affectant le confort thermique [15]. 9 Figure 4: valeurs exprimées en Clo des tenues vestimentaires espace [14]. 10 Figure 5 : gain thermique internes d'un espace [14] 12 Figure 6: Représentation PPD en rapport avec le PMV d'après la norme ISO 7730 [25]. 14 Figure 7 : Estimation du confort statique/ adaptative pour les bâtiments climatisés (a) [26]. . 16 Figure 8: Estimation du confort statique/ adaptative pour les bâtiments ventilés naturellement (b) [26]. 16 Figure 9: les deux modèles de confort thermique et leurs différences fondamentales [15]. 17 Figure 10 : Plage de Températures de confort intérieur en fonction de la température extérieure moyenne mensuelle [17]. 19 [10]. 21 Figure 12: Zone de confort selon le diagramme bioclimatique de Givoni.[14] 24 Figure 13: Structure et déroulement de l'étude. 30 Figure 14: représentation du bâtiment 3D. 31 Figure 15 :propriétés des matériaux de construction du bâtiment de référence. 33 Figure 16 : propriétés du matériau constituant les fenêtres. 33 Figure 17 :propriétés du matériau constituant la porte. 34 Figure 18: Classification climatique de Koppen- Geiger [42]. 35 Figure 19: situation géographique de la ville de Yaoundé [43]. 37 Figure 20: Diagramme ombrothermique Yaoundé [44]. 38 Figure 21: courbe température de Yaoundé [44]. 38 Figure 22: situation géographique de la ville de douala [43]. 39 Figure 23: Diagramme ombrothermique douala [44]. 39 Figure 24: courbe température de douala [44]. 40 Figure 25 : Distribution de la température opérative pour les villes de Yaoundé et Douala. 44 Figure 26 : Distribution de l'humidité relative de l'air pour les villes de Yaoundé et Douala 45 Figure 27 : Distribution des températures moyenne radiante de l'air pour les villes de Yaoundé et Douala. 45 Mémoire rédigé par NZOKOU CHEDJOU Danick ix Figure 28 : Distribution des températures de l'air pour les villes e Yaoundé et Douala. 45 Figure 29 : Distribution de la température opérative couplée à l'humidité relative de l'air. 47 Figure 30 : Ecart entre la température de l'air (Ta) et la température moyenne radiante(Tmr). 47 48 Figure 32 : Consommation mensuelle d'énergie pour le chauffage et le refroidissement. 49 Mémoire rédigé par NZOKOU CHEDJOU Danick x LISTE DES ABREVIATIONS AIE : Agence internationale de l'énergie GES : Gaz à effet de serre ASHRAE: American Society of Heating, Refrigerating and Air-conditioning Engineers S : stockage dans l'organisme (w/m2) H : production de chaleur interne (w/m2) Econd : échange par conduction(w) Econv : échange par convection(w) Erad : échange par rayonnement (w) Esw : échange par évaporation de la sueur (w) Edif : échange par diffusion de la vapeur d'eau (w) Cres : échange par convection respiratoire : respiration sèche (w) Top : Température opérative, °C. Ta : Température de l'air, °C. Tmr : Température moyenne radiante, °C. á : Coefficient dépendant de la vitesse de l'air Clo : Unité d'isolement vestimentaire, 1 Clo = 0.155 m2 °C. W-1) met : Métabolique PMV: Vote Moyen Prévisible PPD : Pourcentage d'insatisfait. M : Taux métabolique, W/m2. W : Travail externe, W/m2. C + R : Perte de chaleur sensible par la peau, W/m2. Cres : Taux de perte de chaleur par convection respiratoire, W/m2. Mémoire rédigé par NZOKOU CHEDJOU Danick xi Eres : Taux de perte de chaleur par évaporation respiratoire, W/m2. Ssk : Taux de stockage de la chaleur dans la peau, W/m2. Scr : Taux de stockage de la chaleur dans le noyau (corps), W/m2. ISO: International Organization for Standardization exp : Exposant HVAC: Heating Ventilation and Air Conditioning ACS : Adaptive Comfort Standard Tc : La température de confort (température opérative). To : La température extérieure moyenne mensuelle. Trm : La moyenne mobile pondérée exponentielle de la température extérieure quotidienne de l'air au thermomètre sec Te-(1+i) : La moyenne quotidienne de la température extérieure sèche de l'air du jour précédent (1 + i) ái : Une constante comprise dans la plage [0, 1] HR : Humidité relative EN : Norme européenne BBCC : Baruch Givoni a introduit le Bâtiment Bioclimatique Chart 3D : 3 dimensions U : Transmission thermique R : Résistance thermique TMY : Typical Meteorological Year Am, Aw, Af, Bwh : Caractéristiques climatique selon Koppen mm : Millimètre Km2 : Kilomètre carré Mémoire rédigé par NZOKOU CHEDJOU Danick xii m : Mètre DWG : Drawing DWF : Design Web Format DXF : Data Exchange File CAO : Conception Assister par Ordinateur GHz: Giga Hertz Go: Giga octet h: Heure T° : Température °C : degré Celsius KWh : Kilowatt heure % : Pourcentage NZEB : Nearly Zero Energy Building Mémoire rédigé par NZOKOU CHEDJOU Danick xiii RESUMECe travail consiste à faire une étude de l'impact des modèles de confort sur la consommation énergétique des bâtiments en zone tropicale dans l'optique d'élaborer des possibilités de réduction de la consommation énergétique associées à la recherche du confort dans les bâtiments ce qui conduira à limiter l'impact environnementale du bâtiment. Afin d'atteindre cet objectif, ce travail aura consister à réaliser une étude sur les modèles de confort (leur efficacité et consommation énergétique dans la recherche du confort), Apres analyse, le modèle adaptatif régis par la norme ASHRAE 55 est le mieux adapté pour la zone tropicale et faire une simulation afin de générer différents résultats souhaités sur la consommation énergétique et la température opérative de notre modèle de confort dans un bâtiment de référence. Le logiciel Energyplus a été utiliser pour l'encodage des données caractéristiques de notre bâtiment de référence et l'introduction des fichiers climatiques relatif aux différentes villes test, le logiciel DWG trueview 2014 pour la visualisation 3D de notre bâtiment une fois les données caractéristiques introduites dans E+ et Excel 2016 pour le traitement des données issus de la simulation. Les températures opératives à savoir 23,37°C<To<24,80°C dans la ville de Yaoundé et 23,99°C<To<24,75°C à Douala obtenus après simulation permettent de comprendre que le modèle de confort adaptatif régit par la norme ASHRAE 55 surestime le confort thermique en climat tropicale donc impliquant une consommation énergétique au-dessus de celle nécessaire tel que le démontre les résultats expérimentaux d'autre étude réalisé en climat tropicale. Mots clés : modèles de confort, confort thermique, consommation énergétique, zone tropicale. Mémoire rédigé par NZOKOU CHEDJOU Danick xiv |
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