Etude expérimentale de la convection naturelle en canal vertical à flux de chaleur imposé : application au rafraîchissement passif de composants actifs de l'enveloppe des bâtiments

• Main Author: Daverat, Christophe
• Other Authors: Lyon, INSA
• Language: fr
• Published: 2012
• Subjects: Energétique; Convection naturelle; Densité de flux de chaleur; Ldv; Vélocimètre laser Doppler; Photovoltaique-Thermique; Bipv; Bâtiment; Natural convection; LDV measurements; Turbulent heat flux; Turbulent mixing; 536.230 72
• Online Access: http://www.theses.fr/2012ISAL0093/document

La réduction de la consommation des bâtiments passe par : l'économie d'énergie, l'efficacité énergétique et l'utilisation des énergies renouvelables. Sur ce dernier point, l'intégration à grande échelle de composants photovoltaïques (PV) est une solution. Le rendement et la durée de vie des cellules PV en silicium cristalin diminuant avec l'augmentation de leur température de fonctionnement, il est essentiel de mettre au point des configurations d'intégration limitant leur échauffement. L'intégration en configuration de double-peau – la surface PV est séparée du bâtiment par une lame d'air – est une solution prometteuse. Sous l'effet de la chaleur, un écoulement de convection naturelle se met en place entre les deux parois, refroidissant ainsi les panneaux PV. Cet écoulement peut également servir de moteur pour la ventilation en été, et de préchauffage de l'air en hiver. Cette étude, expérimentale, fait partie d'un projet visant à comprendre le fonctionnement des double-peaux PV en analysant séparément les différents phénomènes physiques avant de prendre en compte l'ensemble des couplages. Elle porte plus particulièrement sur la convection naturelle au sein des double-façades verticales. Ici, la double-peau est modélisée par un canal vertical dont les deux parois principales sont chauffées sous des conditions de flux imposé. Un banc d'essais a été développé pour étudier la convection naturelle dans un canal vertical en eau. L'eau a été choisie pour se placer dans le cas d'un écoulement de convection pure (pas de rayonnement entre les parois). C'est un canal vertical de 65 cm de haut avec un écartement réglable placé dans une cuve de 1,5 m de haut contenant 160 L d'eau. Les parois sont chauffées à l'aide de 24 chaufferettes indépendantes délivrant un flux de chaleur uniforme, ce qui permet d'appliquer différentes configurations de chauffage. Des mesures de flux et de température sont réalisées au niveau des parois, et un système couplant de la velocimétrie laser Doppler deux composantes à un micro-thermocouple (25 μm) a été développé pour avoir accès aux vitesses verticale et horizontale et à la température dans le canal. Ce banc et son instrumentation sont décrits et les incertitudes de mesure associées ont été caractérisées. La configuration de chauffage uniforme symétrique a été étudiée ici pour différentes puissances injectées. Les profils de vitesse et de température moyennes mettent en évidence la présence d'un changement de régime d'écoulement dans le canal pour un nombre de Rayleigh indéntifié. L'étude approfondie des profils des fluctuations de vitesse et de température a permis de mettre au point une modélisation comportementale de ce changement de régime. De plus, une première approche est développée pour évaluer la pression dans le canal à partir de l'analyse et de l'estimation des différents termes de l'équation de conservation de la quantité de mouvement. === Reducing the building consumption passes through : energy saving, energy efficiency and the use of renewable energy sources for a local production of electricity. For the last point, the building integrated photovoltaic systems represent a promising solution. However, electrical yield and life time of silicon solar cells decrease with the increase of its operating temperature, that is why integrated configurations which limits cell overheating must be developed. The solution considered is the double-skin façade configuration : photovoltaic panels are separated from the building wall(or roof) by an opened air channel. This induces a natural convection flow that cools the rear surface of the photovoltaic panels. This flow can also be used for natural ventilation of buildings in summer or for air preheating in winter. This experimental study is part of a project on photovoltaic double-skin façades. In this project, each physical phenomena are analysed separately first, and the coupling between the different phenomena are studied in a second time. This thesis deals with the natural convection into the vertical double-skin façades. The system is modelled by a vertical channel with isoflux heating at the two mains walls. An experimental apparatus was developed in the laboratory for studying natural convection in water in a vertical channel. Water is used as the working fluid to avoid radiative heat transfer and obtain a pure convective flow. The channel is 65 cm high with an adjustable gap. It is placed in a 1.5 m high glass tank filled with 160 L of distilled water. The main walls are heated through 24 independant electrical heaters maintaining a constant heat flux, which allows differents boundary condition (symmetrical, asymmetrical, uniforme, alternated, etc). Heat flux and temperature measurements are made at the walls. The velocity (horizontal and vertical) and temperature of the flow are measured through a two components Laser Doppler Velocimetry system combined with a micro-thermocouple (25 μm diameter). This apparatus is described in details and the measurement uncertainties were characterized. The symmetrical uniform heating configuration was studied here with the analyse of velocity and temperature profiles in the channel for several input power (46 W to 562 W). These profiles show a change in flow regime in the channel that is analysed with turbulent quantities along the channel. Moreover, the pressure is estimated in the channel from the analysis of all the terms of the momentum conservation equations.