Transferts de chaleur couplés dans les parois composites basées
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Objectifs Modèle de paroi multicouche Etude des cas test en régime permanent Conclusion et perspectives Journées d’Etude en Rayonnement Thermique du 5 au 6 Février 2009 Transferts de chaleur couplés dans les parois composites basées sur le matériau bois I. Traoré, A. Kaemmerlen, D. Lacroix, B. Monod, G. Jeandel Laboratoire d’Énergétique et de Mécanique Théorique et Appliquée LEMTA , Nancy Université , CNRS 1 / 22 Objectifs Modèle de paroi multicouche Etude des cas test en régime permanent 1 Objectifs 2 Modèle de paroi multicouche 3 Etude des cas test en régime permanent 4 Conclusion et perspectives Conclusion et perspectives 2 / 22 Objectifs Modèle de paroi multicouche Etude des cas test en régime permanent Conclusion et perspectives Plan 1 Objectifs 2 Modèle de paroi multicouche 3 Etude des cas test en régime permanent 4 Conclusion et perspectives 3 / 22 Objectifs Modèle de paroi multicouche Etude des cas test en régime permanent Conclusion et perspectives Programme de recherche et d’expérimentation de l’énergie dans le bâtiment (PREBAT - ANR) Projet : TRANSferts dans les parois des BATIments BOIS (TRANSBATIBOIS) Comprendre et caractériser les phénomènes physiques (thermodiffusion, transferts non-Fickien, transferts au sein de la lame d’air, etc.) Intégrer ces phénomènes dans un outil d’aide à la conception permettant de simuler : → les transferts dans une paroi multicouche → la consommation énergétique de l’enveloppe en hiver → la température intérieure de l’enveloppe en été 4 / 22 Objectifs Modèle de paroi multicouche Etude des cas test en régime permanent Conclusion et perspectives Plan 1 Objectifs 2 Modèle de paroi multicouche 3 Etude des cas test en régime permanent 4 Conclusion et perspectives 5 / 22 Objectifs Modèle de paroi multicouche Etude des cas test en régime permanent Conclusion et perspectives Modèle de paroi multicouche • conduction dans le bois massif • conduction, convection et rayonnement dans l’air • conduction et rayonnement dans l’isolant fibreux 6 / 22 Objectifs Modèle de paroi multicouche Etude des cas test en régime permanent Conclusion et perspectives Caractéristiques thermiques des isolants du bâtiment Isolant en laine de verre ou de roche : ρ : 15 kg/m3 et Cp : 800 J/(kg K) Isolant en laine de bois : ρ : 150 kg/m3 et Cp : 2700 J/(kg K) Bois massif : ρ : 500 kg/m3 et Cp : 1500 J/(kg K) Laine de verre Isolant à base de bois 7 / 22 Objectifs Modèle de paroi multicouche Etude des cas test en régime permanent Conclusion et perspectives Equations gouvernant les phénomènes physiques Équations de Navier-Stokes dans l’air (écoulement bidimensionnelle laminaire sans modèle de turbulence) : ∂ρ ∂(ρu) ∂(ρv ) + + =0 ∂t ∂x ∂y ∂ ∂u ∂ ∂u ∂P ∂(ρu) ∂(ρuu) ∂(ρvu) + + = (µ ) + (µ ) − ∂t ∂x ∂y ∂x ∂x ∂y ∂y ∂x (1) (2) ∂ ∂v ∂ ∂v ∂P ∂(ρv ) ∂(ρuv ) ∂(ρvv ) + + = (µ )+ (µ )− −ρg (3) ∂t ∂x ∂y ∂x ∂x ∂y ∂y ∂y Équation de conservation d’énergie dans tout le domaine : ∂(ρCp T ) ∂(ρuCp T ) ∂(ρvCp T ) ∂ ∂T ∂ ∂T + + = (λx )+ (λy )+S ∂t ∂x ∂y ∂x ∂x ∂y ∂y (4) 8 / 22 Objectifs Modèle de paroi multicouche Etude des cas test en régime permanent Conclusion et perspectives Couplage entre les modes de transferts S = Sr + Sh (5) ~ · q~r Sr = −∇ (6) ~ · g~v Sv = −hv ∇ (7) Couplage avec l’Équation de Transfert Radiatif (ETR) : ~ dLλ (Ω) 1 2 0 ~ = −(κλ +σλ )Lλ (Ω)+n λ κλ Lλ (T )+ ds 4π Z ′ ~ σλ Pλ (Ω , Ω)Lλ (Ω)dΩ ′ ′ Ω =4π (8) Couplage avec l’équation bilan sur l’évaporation : w : teneur en eau ∂w ~ · (g~w + g~v ) + Sw = −∇ ∂t (9) ~ g~w = −Dφ ∇φ (10) φ : humidité relative 9 / 22 Objectifs Modèle de paroi multicouche Etude des cas test en régime permanent Conclusion et perspectives Plan 1 Objectifs 2 Modèle de paroi multicouche 3 Etude des cas test en régime permanent 4 Conclusion et perspectives 10 / 22 Objectifs Modèle de paroi multicouche Etude des cas test en régime permanent Conclusion et perspectives Lame d’air entre deux parois bois Hauteur des parois : 2 m Epaisseur lame d’air : 1 cm Epaisseur bois : 2 cm Parois grises : ǫw = ǫe = 0.5 Air : milieu gris non diffusant Tint = 20˚C et Text = -5˚C hint = hext = 10 W/(m2 K) Géométrie 2D 11 / 22 Objectifs Modèle de paroi multicouche Etude des cas test en régime permanent Conclusion et perspectives Maillage du domaine Grandeurs scalaires (températures et pressions) : centre des mailles Grandeurs vectorielles (vitesses) : faces des cellules Hypothèse du contact parfait : continuité du flux aux interfaces 12 / 22 Objectifs Modèle de paroi multicouche Etude des cas test en régime permanent Conclusion et perspectives Méthode de résolution des équations Méthode des volumes finis (MVF) : Discrétisation spatiale (x,y) : (20+20+20)×60 Discrétisation angulaire (θ,φ) : 4×8 Dynamique : schéma QUICK associé à l’algorithme SIMPLER Radiatif : schéma STEP avec des conditions aux limites radiatives de type diffuses aux parois 13 / 22 Modèle de paroi multicouche Etude des cas test en régime permanent Conclusion et perspectives Evolution de la température pour différents cas 20 sans rayonnement parois grises parois noires 15 T [°C] Objectifs 10 5 0 −5 0 0.01 0.02 0.03 Epaisseur [m] 0.04 0.05 14 / 22 Modèle de paroi multicouche Etude des cas test en régime permanent Conclusion et perspectives Evolution du flux total (W/m2 ) pour différents cas 45 40 Flux total Objectifs 35 30 sans rayonnement parois grises parois noires 25 20 0 0.01 0.02 0.03 Epaisseur [m] 0.04 0.05 15 / 22 Modèle de paroi multicouche Etude des cas test en régime permanent Conclusion et perspectives Température pour différentes valeurs de κ (m−1 ) 20 0 0.1 1 15 T [°C] Objectifs 10 5 0 −5 0 0.01 0.02 0.03 Epaisseur [m] 0.04 0.05 cas des parois grises (émissivité 0.5) 16 / 22 Modèle de paroi multicouche Etude des cas test en régime permanent Conclusion et perspectives Flux radiatif (W/m2 ) dans le fluide 14 13 12 11 Qr Objectifs kappa = 0 kappa = 0.1 kappa = 1 10 9 8 7 6 0.018 Pour κ = 0 : A.N : 0.02 0.022 0.024 0.026 Epaisseur [m] Qr = σ(Tw4 − Te4 ) 1 + ǫ1e − 1 ǫw 0.028 0.03 (analytique) (11) Qr = 13.6 W/m2 17 / 22 Modèle de paroi multicouche Etude des cas test en régime permanent Conclusion et perspectives Flux conductif (W/m2 ) (parois grises) 45 40 35 30 Qc Objectifs kappa = 0 kappa = 0.1 kappa =1 25 20 15 10 5 0 0 0.01 0.02 0.03 Epaisseur [m] 0.04 0.05 18 / 22 Objectifs Modèle de paroi multicouche Etude des cas test en régime permanent Conclusion et perspectives Champ de vitesse dans le fluide 2.5 0.02 2 0.015 1.5 0.01 1 0.005 0.5 u [m/s] v [m/s] −3 0.025 0 −0.005 0 −0.5 −0.01 −1 −0.015 −1.5 −0.02 −0.025 0.02 x 10 −2 0.022 0.024 0.026 Epaisseur [m] 0.028 0.03 composante verticale de la vitesse −2.5 0 0.5 1 Hauteur [m] 1.5 2 composante horizontale de la vitesse 19 / 22 Objectifs Modèle de paroi multicouche Etude des cas test en régime permanent Conclusion et perspectives Plan 1 Objectifs 2 Modèle de paroi multicouche 3 Etude des cas test en régime permanent 4 Conclusion et perspectives 20 / 22 Objectifs Modèle de paroi multicouche Etude des cas test en régime permanent Conclusion et perspectives Perpectives Résolution des équations en régime instationnaire en tenant compte de l’isolant fibreux dans la multicouche Couplage avec le transfert de masse (via le code du LERMAB) en tenant compte de l’influence de l’humidité sur les propriétés thermophysiques Comparaison des résultats avec le logiciel WUFI Validation des résultats de simulation de transfert de chaleur et de masse dans l’enveloppe avec les mesures Étude de sensibilité des paramètres 21 / 22 Objectifs Modèle de paroi multicouche Etude des cas test en régime permanent Conclusion et perspectives Merci pour votre attention 22 / 22
