ETUDE DES ECOULEMENTS DE CONVECTION NATURELLE ET MIXTE POUR LE DEVELOPPEMENT DE SECHOIR ET D'ENVELOPPES SOLAIRES

par Ramez Raja

Projet de thèse en Energétique et Génie des Procédés

Sous la direction de Christophe Menezo et de Mickaël Pailha.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale sciences et ingénierie des systèmes, de l'environnement et des organisations (Chambéry) , en partenariat avec Laboratoire d'Optimisation de la Conception et Ingénierie de l'Environnement (laboratoire) depuis le 15-10-2018 .


  • Résumé

    Le secteur du bâtiment consomme la majorité de l'énergie primaire pour le chauffage en hiver et pour le refroidissement en été. Cela a attiré l'attention de nombreux architectes et ingénieurs sur les applications des énergies renouvelables, en particulier l'utilisation de chauffage passif et de refroidissement des bâtiments. Dans ce contexte, les systèmes énergétiques combinés basés sur les cheminées solaires sont considérés comme des stratégies efficaces pour la conception architecturale des bâtiments. Au lieu d'utiliser une simple cheminée solaire ou des capteurs thermique à air la technologie hybride photovoltaïque/thermique (PV/ T) semble plus promettuse car le rayonnement solaire absorbé est converti en électricité et en chaleur pouvant être utilisés simultanément. Cette étude est dédiée à la conception d'une enveloppe solaire hybride / autonome / ventilée ou de collecteurs d'énergie simples basés sur le même principe: lame d'air naturellement ou mécaniquement ventilée à l'arrière des modules photovoltaïques et paroi chauffée de l'autre côté du canal par le rayonnement incident ou par effet joule grâce à un émetteur de chaleur innovant. Ce concept d'élément PV/T peut être conçu pour les utilisateurs finaux qui ont une demande en air chaud, en chauffage, en agriculture / séchage ou en configuration de ventilation/rafraichissement, ainsi que la production d'électricité. L'approche envisagée dans cette thèse sera basée sur des travaux antérieurs sur le BIPV/T. Cela impliquera à la fois une analyse détaillée des phénomènes physiques interdépendants et également une caractérisation de l'ensemble performances des capteurs solaires (flux d'enthalpie générés et extraits, puissance de séchage ou de rafraichissement) selon les différents modes de fonctionnement. L'analyse se fera principalement par le biais de étude expérimentale et nécessitera en partie d'avoir recours à la simulation (CFD) et à l'optimisation (Particle Optimisation des essaims) de certain paramètres afin de guider la conception. En termes de techniques expérimentales, le champ de vitesse dans le canal sera mesuré à l'aide de la technique PIV (Velocimetry Image Particle) en conditions contrôlées et de l'anémomètre à fil chaud disponibles au LOCIE. Cela sera complété par des mesures à l'interface paroi / air à l'aide de fluxmètres actuellement testés en laboratoire. La répartition de la température sur les faces extérieures de l'entrefer sera mesurée par thermographie infrarouge. Enfin, pour des conditions de test réelles, le climat ambiant sera suivi avec précision grâce à un ensemble de capteurs de rayonnement, de température et d'humidité couplés à une boucle d'acquisition de données dédiée aux expériences à long terme et sur site.

  • Titre traduit

    STUDY OF NATURAL AND MIXED CONVECTIVE MASS TRANSFER PHENOMENA FOR THE DEVELOPMENT OF INNOVATIVE SOLAR AIR DRYER AND SOLAR BUILDING ENVELOPE


  • Résumé

    The building sector consumes the majority of energy mostly for winter heating and for summer cooling. This has drawn the attention of many architects and engineers to renewable energy applications, especially the use of passive heating and cooling of buildings. In this context, combined energy systems based on solar chimney have been regarded as efficient strategies toward green building architecture. Instead of using the conventional solar chimney or air thermal collectors, the hybrid photovoltaic/ thermal (PV/T) technology appears more attractive because the absorbed solar radiation is converted into electricity and heat which can be utilized simultaneously. An air-based PV/T module is a solar air heater with an additional PV function laminated on the top or bottom of the naturally or mechanically ventilated air channels. This study is dedicated to the design of an innovative hybrid and autonomous solar PV/Thermal ventilated envelope or single collectors based in the same principle : naturally or mechanically ventilated air gap at the rear of the PV modules and heated wall at the other side of the channel by solar radiation (for semitransparent PV module) or joule effect thanks to an innovative heat emitter. This concept of PV/T element would be designed for the end-users who have demand in hot air, space heating, agriculture/herb drying or increased ventilation, as well as the electricity generation. The main advantage of this concept is to be able to control the air temperature playing with both injected heat power in the channel and air gap ventilation velocity. Approach The approach envisaged in this PhD thesis will be grounded on previous works on BIPV/T. It will imply both a detailed analysis of the interrelated physical phenomena and also a characterization of the overall performances of the solar collectors (enthalpy fluxes generated and extracted, drying power and overall balance) according to the various operating procedures. The analysis will be conducted mainly through experimental investigation and will partially require use of simulation (CFD) and optimization (Particle Swarm optimization) tools in order to guide some design. The work will be divided into tree main steps: Development of the air-based PVT collector including; Experimental analysis of the flow and heat transfer in controlled conditions; full scale and real operating conditions for both flower dry and existing green house integration. In term of experimental technics, in controlled conditions, the velocity field in the air gap will be measured using both the PIV (Particle Image Velocimetry) and hot wire anemometer technique that are available at LOCIE. This will be supplemented by measurements at wall/air interface through fluxmeters currently being tested in the laboratory. The temperature distribution on the outer faces of the air gap will be measured by infrared thermography. Finally for real testing conditions, the environmental climate will be accurately monitored thanks to a set of radiation, temperature and humidity sensors coupled to a data acquisition loop dedicated to long-term and on-site experiments.