Étude numérique et expérimentale du transfert de chaleur dans un capteur solaire à perforations doté d'un collecteur transparent et opaque

Résumé

L'intérêt pour le chauffage solaire de l’air s’est traduit depuis quelques années par l'apparition sur le marché d’un bon nombre de systèmes, parmi lesquels on trouve les capteurs solaires perforés non vitrés mieux connus sous le nom anglais « Unglazed Transpired Collector» (UTCs) et les capteurs solaires à vitrage perforé «Transparent Transpired Collector» (TTCs). Cette thèse a pour but d’étudier les performances thermiques de ces deux systèmes de chauffage solaire de l’air. Pour répondre à cet objectif, ce travail est structuré en trois parties qui vont constituer les principaux axes de la thèse. Premièrement, la méthodologie des plans d’expériences a été utilisée dans le cas d’un UTC. Le plan adopté utilise au minimum trois niveaux pour les facteurs expérimentaux. La démarche suivie dans cette partie est bien adaptée à la modélisation et l’optimisation des performances thermiques de l’UTC. Pour ce faire, un prototype de mur solaire à perforations UTC a été construit et instrumenté au Centre de technologie thermique (CTT). Des mesures expérimentales de température, rayonnement et vitesse d’écoulement d’air ont été réalisées, selon la stratégie définie par le plan d’expériences. L’analyse du plan expérimental a permis, entre autres de quantifier l’influence de quatre paramètres sur le rendement de l’UTC étudié. De plus, un modèle statistique permettant de prédire le rendement de l’UTC a été établi. Ce modèle est par la suite optimisé grâce à une représentation graphique par des courbes de surfaces de réponse. Une combinaison optimale de quatre paramètres est obtenue, pour un rendement compris entre 70% et 80%. Deuxièmement, une modélisation numérique bidimensionnelle (CFD) d’un prototype d’UTC est proposée pour l’étude des performances thermiques. Le modèle numérique est basé sur la résolution des équations de Navier-Stokes, en moyenne de Reynolds (RANS) couplée à l’équation de conservation de l’énergie. Les résultats numériques ont été comparés à des résultats expérimentaux obtenus sur un prototype conçu et instrumenté à cet effet. Les résultats de simulation CFD indiquent une bonne concordance avec les résultats expérimentaux. Une analyse détaillée du transfert de chaleur entre l’air et la plaque a permis de constater que la quantité d'énergie échangée dans le plénum est faible par rapport au taux de transfert thermique dans les perforations et sur la face de la plaque exposée au rayonnement solaire. Troisièmement, la méthodologie des plans d’expériences a été utilisée de nouveau pour le cas d’un TTC. Bien que la démarche suivie s’apparente à celle utilisée dans le cas des UTCs, les objectifs et les résultats obtenus sont différents. L’utilisation du plan factoriel a permis d’évaluer l’influence de cinq paramètres (l’épaisseur du plénum, le pas entre les fentes, la largeur de fentes, le débit massique, et l'irradiation solaire incidente), y compris les interactions, sur le rendement d’un TTC. Les résultats montrent un effet prépondérant du débit d’air d’aspiration sur le rendement du TTC par rapport aux autres paramètres. Une augmentation du débit provoque une augmentation du rendement. L'augmentation de l'irradiation, de la largeur du plénum, de l’espace entre les fentes, et de la largeur des fentes semblent tous avoir comme effet de diminuer le rendement. Les interactions entre les paramètres ne sont pas très prononcées. L’interaction la plus importante est celle entre la largeur du plénum et la largeur de la fente. Les résultats de ces travaux sont présentés dans cette thèse sous forme de trois articles. Le premier article est publié dans la revue Solar Energy, le deuxième est accepté dans cette même revue et le troisième a été soumis à Energy and Buildings. Cinq autres articles ont été publiés dans des comptes-rendus de conférences avec comité de lecture. Ces articles sont disponibles en format pdf sur le site de la chaire de recherche t3e (www.t3e.info). Ces travaux s’articulent principalement en cinq parties distinctes qui seront détaillées dans les différentes sections de la thèse.

Date	30 août 2013
langue originale	Français
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Daniel Rousse (Directeur(-trice)) & Stéphane Hallé (Codirecteur(-trice))