Integration, evaluation and modeling of thermal comfort in energy efficiency measures : comparing electric heating systems

Résumé

Les systèmes de chauffage électriques n’ont pas tous une même performance. En effet, un simple changement de la distribution de chaleur peut engendrer une réduction de la consommation énergétique tout en maintenant le confort thermique. Dans le cadre de cette thèse, la distribution de chaleur optimale ainsi que la distribution de chaleur de certains systèmes de chauffage électriques sont étudiées et comparées. La première partie de ce travail consiste en la conception, la construction, la programmation du contrôle et la validation d’une chambre bi-climatique. Cet outil expérimental est essentiel pour comparer des systèmes de chauffage électriques à confort thermique égal. Par la suite, une nouvelle méthode numérique d’investigation de la distribution de chaleur optimale est présentée. Dans cette méthode, le concept du chauffage virtuel est introduit. Les chauffages virtuels sont un ensemble de deux systèmes de chauffage: le premier maximise la perte de chaleur d’une pièce tout en maintenant le confort thermique à l’intérieur de celle-ci; tandis que le deuxième minimise la perte de chaleur en maintenant lui aussi le même confort thermique. En utilisant la consommation énergétique des chauffages virtuels, trois nouveaux indices de performance sont introduits. Le premier mesure l’efficacité d’une distribution de chaleur. Le deuxième mesure la sensibilité de la consommation énergétique d’une pièce à la distribution de chaleur. Le troisième mesure l’écart entre le meilleur système de chauffage et un vrai système de chauffage. La consommation énergétique minimale peut aussi être utilisée comme une mesure de la performance énergétique d’une pièce. La distribution de chaleur maximale est utile pour indiquer la distribution de chaleur à éviter. En approfondissant l’investigation sur la distribution de chaleur, la chambre bi-climatique est utilisée pour étudier la distribution de température et la consommation énergétique de trois systèmes de chauffage électriques. Les résultats expérimentaux montrent que les systèmes de chauffage électriques ne distribuent pas tous la chaleur d’une même façon, et de ce fait, ne consomment pas tous la même quantité d’énergie pour atteindre le même confort thermique. Le convecteur testé a la meilleure performance énergétique quand on le compare à la plinthe électrique et au système de chauffage radiant de cette expérience. Les résultats sur la distribution de chaleur sont aussi comparés avec ceux des chauffages virtuels. Les deux méthodes montrent que chauffer les fenêtres n’est pas efficace. Cette comparaison sert aussi à valider en partie la méthode utilisée pour déterminer les chauffages virtuels. Entre autre, la méthode pour déterminer les chauffages virtuels fût aussi validée par: une comparaison de valeurs tabulées aux valeurs calculées pour le confort thermique; et une comparaison de solutions simplifiées calculées à la main aux valeurs calculées par le programme. Dans une dernière étape, les chauffages virtuels sont utilisés pour investiguer comment la distribution de chaleur optimale est influencée par la géométrie et l’isolation d’une pièce. Chaque paramètre investigué est varié individuellement pour quantifier leurs influence sur la consommation énergétique, la distribution de chaleur et la sensibilité de la consommation énergétique de la pièce à la distribution de chaleur. Ces résultats montrent que la taille de la fenêtre, l’isolation de la fenêtre et l’infiltration/exfiltration totale peuvent changer la distribution de chaleur associée au chauffage virtuel minimum. En augmentant chacun de ces trois paramètres, la distribution de chaleur a changé d’un chauffage uniquement au volume d’air à un chauffage qui progressivement chauffe davantage le plancher et par la suite le plafond. Les résultats ont aussi montré que la plupart des paramètres géométriques et d’isolation peuvent influencer la sensibilité de la consommation énergétique à la distribution de chaleur. Dans le pire des cas testés, la consommation énergétique maximum consomme 86% plus d’énergie que la consommation minimum. Le meilleur des cas montre que ce chiffre peut être réduit à 27%. L’isolation de la fenêtre est le paramètre qui a le plus d’influence sur la sensibilité à la distribution de chaleur. Pour résumer, cette thèse présente une nouvelle façon d’aborder le problème de la distribution de chaleur optimale. Les chauffages virtuels permettent la définition de nouveaux indices de performance qui ont été utiles pour investiguer la performance des systèmes de chauffage et des pièces d’un point de vue de la distribution de chaleur. Par une comparaison expérimentale, il peut être conclu que la distribution de chaleur a une influence sur la consommation énergétique et devrait être considérée dans la conception d’un bâtiment. Le chauffage virtuel est sans doute un outil qui servira à mieux comprendre comment atteindre des distributions de chaleur optimales.

Date	21 août 2019
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Daniel Rousse (Directeur(-trice))