MODÉLISATION D’UN BÂTIMENT TYPIQUE
Histoire de l’utilisation de la glace comme stockage thermique
Les systèmes de stockage d’énergie commercial en usage en 2012 peuvent être classés comme des systèmes mécaniques, électriques, chimiques, biologiques, nucléaires ou thermiques. Dans ce mémoire, ainsi que dans son examen de la littérature, on prête plus d’attention au type de stockage d’énergie thermique en raison de sa relation directe avec les problèmes de recherche qu’y sont liés.
La capacité d’invention et d’adaptation de l’espèce humaine en termes d’ « amélioration » de la qualité de vie à la recherche de confort l’a amenée à développer un certain nombre d’activités, des comportements et d’inventions ingénieuses du point de vue technologique.
Parmi ces dernières, il y a l’utilisation de l’énergie thermique et son stockage sous de nombreuses formes afin d’obtenir une plus grande durée de la même.
Le stockage d’énergie thermique a été utilisé pendant plusieurs siècles par de nombreuses civilisations antiques. Cependant, la récolte de la glace est peut-être la forme la plus ancienne et la plus répandue de l’utilisation de la glace ou de la neige comme méthode de stockage de l’énergie. Cette pratique consistait à stocker de la glace ou de la neige pour conserver les aliments. Les premiers réfrigérateurs ont été des trous creusés dans le sol, bordés de bois ou de paille, puis remplis avec de la neige ou la glace: c’était le seul moyen de réfrigération (Nagengast, 1998). De même, la glace a été utilisée pour différentes activités comme le refroidissement des boissons et la climatisation, ce qui était un luxe réservé aux classes supérieures des sociétés appartenant à des cultures telles que celle des Chinois, des Hébreux, des Grecs, des Romains et des Perses.
Travaux précédents et récents en stockage du froid, visant l’efficacité énergétique
Il est connu que le stockage de la glace et de la neige a eu une connotation historique très importante pendant les premières années de la réfrigération autour de la septième siècle ap.JC. Les Chinois, les Grecs et les Romains ont adopté l’utilisation de la glace et de la neige stoquées dans des fosses souterraines pour refroidir le vin et quelques autres aliments. Même pendant le XVIII siècle et les premières années du XIXe, la glace des lacs et des étangs en hiver était coupée et stockée dans le sol pour une utilisation ultérieure en été. Après le boom dans la fabrication de réfrigérateurs électriques au début du 20e siècle, les tentatives de stockage de la glace et de la neige ont été mises de côté jusqu’à la crise énergétique des années 1970. Cela a heureusement stimulé les efforts visant à améliorer l’efficacité énergétique des bâtiments et des espaces commerciaux et industriels (Nagengast, 1998).
C’est de cette façon qu’aujourd’hui, de nombreux pays industrialisés développent des projets de stockage saisonnier de glace et de neige. Ces projets sont orientés vers la consolidation de ces réserves comme sources d’énergie renouvelable pour répondre à la demande de charge de climatisation pendant les mois d’été
Modèles de simulation des milieux diphasiques
Quand on parle de la formation et de la fonte de la glace du point de vue énergétique, on doit nécessairement impliquer les concepts liés à l’échange de chaleur et au mouvement de la frontière eau-glace. Ces problèmes de transfert de chaleur transitoire, ayant à voir avec la solidification ou la liquéfaction, sont connus généralement comme des problèmes de changement de phase ou de frontière en mouvement. La solution de ce type de problèmes est difficile parce que l’interphase entre l’état solide et l’état liquide bouge en même temps que la chaleur latente est absorbée ou libérée entre les deux milieux (Ozisik, 1993). Clapeyron, en 1831, et Stefan, en 1891, ont été les premiers à travailler à l’approche et à la solution de ce type de problème.
Il y a plusieurs solutions numériques possibles aux problèmes de Stefan liés au transfert de chaleur associé au mouvement de la frontière de changement de phase dans un milieu diphasique. La classification des différents types de solutions dépend de l’exposant.
D’un côté, par exemple, des auteurs, comme Voller (1996) ou Idelshon, Stori et Crivelli (1994), en termes généraux, ont séparé ces méthodes en deux groupes principaux:
1. Méthodes de suivi de front,
2. Méthodes de domaine fixe.
Enveloppe du Bâtiment
La composition des murs, du toit, des fenêtres et des planchers a été estimé à partir de la conception pour les résidences phase III déjà construites à l’ETS. Le taux de fenestration est estimé à 37% pour une résistance thermique de 1.67 m² °C/W et un rapport de coefficient d’apport par rayonnement solaire (CARS) de 0.33 a été établi. De plus, environ 36% des fenêtres sont ouvrables.
Quant aux murs, leur résistance thermique prise en compte est de 4.1 m² °C/W. Les matériaux de construction seront composés de maçonnerie (75mm), d’espace d’air (45mm), de panneaux d’isolants rigides de fibres de verre (50mm), d’une isolation en fibre de verre RSI 2.46 (89mm), d’une lame d’air (22mm) et d’un panneau de gypse (12.7mm). Le toit aurait une résistance totale de 6 m² °C/W. Il sera composé de membranes de feutre avec bitume, de contreplaqués (19 mm), de lames d’air (127mm), d’isolants en laine minérale RSI 5.46 et d’un panneau de gypse (13mm).
Système Central
Ce type de système regroupe, en général, deux types de composants principaux : 1) ceux qui fournissent l’énergie sous forme de chaleur ou de froid (selon besoin) aux serpentins dans le système CVCA et 2) l’élément qui garantit l’énergie nécessaire pour les besoins en eau chaude sanitaire du bâtiment.
Dans le cas des résidences phase IV, la conception de la simulation du bâtiment a pris comme hypothèse qu’il serait chauffé par une chaudière électrique à l’eau chaude. Cette chaudière aurait une capacité d’environ 50 kW, ce qui permettrait le chauffage de l’air pour l’alimentation de l’air frais. On a, par la suite, établi que les pertes de chaleur périphérique seraient comblées par des plinthes électriques dans chacun des appartements, comme c’est le cas dans la plupart des installations.
Système CVCA
Le système de chauffage, ventilation et conditionnement de l’air (CVCA) sert à distribuer l’énergie fournie par le système central, alimentant toutes les zones du bâtiment désignées comme directement conditionnées dans le bâtiment. De plus, le système CVCA permet de récupérer une partie des gains et d’éviter des pertes de chaleur dans les zones traitées. Dans ce cas, on a choisi les spécifications pour un bâtiment qui fonctionnerait à 100 % d’air frais et avec un volume d’alimentation d’air constant de près de 7500 l/s.
Afin de séparer les zones ayant des charges différentes, quatre unités de traitement de l’air ont été spécifiées dans la simulation de EE4. Les quatre unités ont été sélectionnées et assignées en fonction de la conception présentée par les architectes pour chacune des zones suivantes: le sous-sol, le rez-de-chaussée, le septième étage et une dernière unité desservant les autres zones. Une sonde de pression, permettra que l’alimentation en air frais équilibre la pression interne du bâtiment de façon légèrement positive.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTÉRATURE
1.1 Histoire de l’utilisation de la glace comme stockage thermique
1.2 Travaux précédents et récents en stockage du froid, visant l’efficacité énergétique
1.2.1 Travaux au Canada
1.2.2 Travaux en Chine
1.2.3 Travaux en Europe
1.3 Modèles de simulation des milieux diphasiques
1.4 L’intérêt technologique du projet
CHAPITRE 2 MODÉLISATION D’UN BÂTIMENT TYPIQUE
2.1 Présentation du bâtiment
2.1.1 Hypothèses de travail
2.1.2 Conception du Zonage
2.1.3 Description architecturale
2.2 ENTRÉES DE DONNÉES DANS EE4
2.2.1 Enveloppe du Bâtiment
2.2.2 Système Central
2.2.3 Système CVCA
2.2.4 Éclairage
2.3 Résultats de la simulation EE4
CHAPITRE 3 SOLUTIONS DU PROBLÈME DE LA FRONTIÈRE EAU-GLACE EN MOUVEMENT
3.1 La fonte et la formation de la glace dans le réservoir
3.2 Modèle théorique de la solution de mouvement de la frontière
3.3 Solution analytique 1D
3.4 Solution numérique par la méthode d’enthalpie
3.4.1 Cas unidimentionel (1D)
3.4.1.1 Présentation par différence finie explicite
3.4.1.2 Présentation par différence finie implicite
3.4.2 Cas bidimensionnel (2D)
3.5 Similitude des solutions avec les méthodes choisies
3.5.1 Cas unidimensionnel
3.5.2 Cas bidimensionnel
CHAPITRE 4 SCÉNARIOS RÉELS DE RÉCUPERATION D’ÉNERGIE
4.1 Introduction et généralités dans la conception
4.2 Scénario 1: Système à air pulsé dans le réservoir
4.3 Scénario 2 : Système à glycol à travers le réservoir
CHAPITRE 5 RESULTATS DES SIMULATIONS
5.1 Programmation et simulation des scenarios
5.1.1 Scénario 1 : Système à air pulsé pour une année
5.1.2 Scénario 2 : Système à glycol traversant un tuyau pendant une année
5.2 Modélisation des deux scénarios pendant trois années
5.3 Variation des principales variables des simulations
5.3.1 Variation de la surface disponible pour la construction du réservoir
5.3.2 Variation de la durée de la période de fonte de la glace pour le scénario 1
5.3.3 Variation du débit de glycol pour le scénario 2
5.4 Analyse des méthodes et des résultats
5.5 Étude de rentabilité et effet sur la réduction de GES
CONCLUSION
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