Thermal Behaviour and Energy Saving Analysis of a Flat with Different Energy Efficiency Techniques in Six Climates Of Morocco
Comportement thermique et économie d’énergie dans un appartement avec différentes mesures d'efficacité énergétique dans les six zones climatiques du Maroc
Résumé
The bioclimatic construction tendency is of top importance for building specialists all over the world and the concerns of energy consumption for indoors conditioning is increasing as the associated ecological damages is progressively alarming.
The main goal of this work is to provide guidance to a building design with purposed reduced energy consumption for heating and cooling. Concretely, this thesis aims at studying the impact of many technical, architectural and meteorological parameters of an apartment on its energy performance and thermal comfort. The studied parameters are: the envelope thermal insulation, the orientation, the floor level, the coupling of the slab-on-grade, the absorption coefficient of the roof and the external walls and the controlled mechanical ventilation. A numerical study based on TRNSYS code is carried out for six different climates of Morocco as defined by the Thermal Regulation of Construction in Morocco namely; Atlantic: Agadir, Mediterranean: Tangier, Continental: Fez, Cold: Ifrane, Semi-arid: Marrakech and Desert: Errachidia. The numerical model has been validated by the experimental results obtained from long experimental monitoring campaigns in summer and winter of the apartment located in the city of Marrakech.
The heating and cooling loads of the apartment as well as the thermal discomfort indices are calculated for the eleven possible configurations combining the studied parameters. The results show that the thermal insulation of the facade leads to a summer overheating with an increase in the total thermal load of the apartment up to 18% in all the considered climates, with the exception of the cold one. Furthermore, it is found that introducing the thermal insulation of the facade by the air gap is sufficient to achieve an acceptable level of energy saving and thermal comfort as it prevents summer overheating. Similarly, it is established that the slab-on-grade thermal insulation causes an increase in the thermal load of at least 67% for warm and moderate climates. The best combination of all the studied energy efficiency measures for each climate condition is evaluated by comparison with a reference case that represents the actual apartment.
Before the experimental approach setting, a theoretical study based on the Design of Experiment method and the linear regression is implemented in order to predict, through mathematical models, the cooling and heating loads of a building cell in Marrakech as well as to prioritize most impacting factors on the building's energy performance in this region. The analysis of the elaborated mathematical models on the basis of results from several dynamic TRNSYS simulations, and taking into account the high precision of the obtained correlation coefficients (superior to 0.92), makes it possible to conclude that in the climate of Marrakech, the parameters of the building that have a significant impact on its thermal load are mainly the window to wall ratio, the roof, the slab-on-grade and the walls thermal insulation.
Finally, this approach can be considered, on the one hand, as a crossroad between building energetic, architecture and mathematical methods (Design of Experiment and multilinear regression) that provide an added value from methodological point of view, and on the other hand as an evaluation tool prior to the construction of buildings in the different studied climates.
La conception de constructions bioclimatiques prend une place capitale dans les préoccupations des spécialistes du bâtiment dans le monde entier et la consommation d’énergie pour le conditionnement des intérieurs est d’autant plus élevée que les dégâts écologiques y afférents deviennent alarmants.
L’objectif de ce travail s’inscrit dans cette optique en mettant à disposition un guide de conception de bâtiment à consommation d’énergie réduite en matière de chauffage et de refroidissement. Concrètement, Cette thèse vise à étudier l'impact de nombreux paramètres techniques, architecturaux et météorologiques d'un appartement sur sa performance énergétique et son confort thermique. Les paramètres étudiés sont: l'isolation thermique de l'enveloppe, l'orientation, le niveau de l’étage, le couplage du plancher bas au sol, le coefficient d'absorption du toit et des murs extérieurs et la ventilation mécanique contrôlée. Une étude numérique basée sur TRNSYS est réalisée dans les six climats différents du Maroc tels qu’ils sont définis par le Règlement Thermique des Constructions au Maroc à savoir ; Atlantique : Agadir, Méditerranéen : Tanger, Continental : Fès, Froid : Ifrane, Semi-aride : Marrakech et Désertique : Errachidia. Le modèle numérique a été validé par rapport aux résultats expérimentaux obtenus lors de longues campagnes de suivi expérimental en été et en hiver d’un appartement situé dans la ville de Marrakech.
Les charges de chauffage et de refroidissement de l'appartement ainsi que les indices d'inconfort thermique sont calculés pour les onze configurations possibles combinant les variantes des paramètres étudiés. Les résultats montrent que l'isolation thermique de la façade conduit à une surchauffe estivale avec une augmentation de la charge thermique totale de l’appartement pouvant atteindre 18% dans tous les climats considérés, à l'exception du climat froid. Il est constaté que la technique d’isolation thermique de la façade par la lame d’air, en empêchant la surchauffe estivale, est suffisante pour atteindre un niveau appréciable d’efficacité énergétique et de confort thermique. De même, il est établi que l’isolation thermique du plancher bas sur sol provoque une augmentation de la charge thermique d’au moins 67% pour les climats chauds et modérés. La meilleure combinaison de toutes les mesures d'efficacité énergétique étudiées pour chaque condition climatique est évaluée par la comparaison des charges thermiques avec celles d’un cas de référence qui représente l'appartement réel.
Préalablement à cette approche expérimentale, une étude théorique basée sur la méthode des plans d’expérience et sur la régression linéaire est mise en œuvre afin de prédire, à travers des modèles mathématiques, les charges de refroidissement et de chauffage d’une cellule de bâtiment à Marrakech au climat chaud et semi-aride ainsi que d’hiérarchiser les facteurs à haut impact sur les performances énergétiques du bâtiment dans cette région.
L'analyse des modèles mathématiques élaborés sur la base des résultats de plusieurs simulations dynamiques à l’aide de TRNSYS, compte tenu de la haute précision des coefficients de corrélation obtenus (supérieurs à 0.92), permet de conclure que dans le climat de Marrakech, les paramètres du bâtiment qui ont un impact important sur sa charge thermique sont principalement le taux de baies vitrées, l'isolation thermique du toit, des murs et du plancher bas.
Enfin, cette approche peut être considérée, d’une part, comme un carrefour entre l’énergétique des bâtiments, l’architecture ainsi que les méthodes mathématiques (plans d'expériences et régression multilinéaire) qui apporte une valeur ajoutée du point de vue méthodologique et d’autre part comme un outil d’évaluation préalable à la construction des bâtiments sous les différents climats étudiés.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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