Dynamic Thermal Modeling and Energy Assessment of a Multi-Zone in F3 Apartment in an Arid Climate of Bechar, Algeria
Cet article présente un modèle thermique multi-zone dynamique d'un appartement F3 standard à Béchar, en Algérie, développé sous MATLAB/Simscape pour analyser les risques de surchauffe extrême et quantifier les demandes significatives en énergie de refroidissement quotidiennes nécessaires pour maintenir le confort thermique dans le climat hyper-aride de la région.
Article original sous licence CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Ceci est une explication générée par l'IA de l'article ci-dessous. Elle n'a pas été rédigée ni approuvée par les auteurs. Pour une précision technique, consultez l'article original. Lire la clause de non-responsabilité complète
Dans les recoins les plus chauds du monde, la bataille pour le confort se joue à l'intérieur des murs de nos maisons. Les bâtiments ne sont pas seulement des enveloppes statiques ; ce sont des systèmes vivants qui absorbent, stockent et rejettent la chaleur, réagissant au soleil et aux personnes qui les habitent. Lorsque l'air extérieur gonfle sous une chaleur intense et que le soleil frappe avec une force implacable, l'air à l'intérieur peut devenir dangereusement chaud, forçant les gens à compter sur la climatisation pour survivre. Cependant, le simple fait d'allumer une machine ne suffit pas pour comprendre le problème. Pour concevoir des maisons qui restent fraîches sans gaspiller d'énergie, les scientifiques doivent comprendre comment la chaleur se déplace à travers un bâtiment au fil du temps, comment le soleil frappe différentes parois à différents moments de la journée, et comment le rythme quotidien de la vie humaine ajoute sa propre chaleur au mélange. Cela nécessite de regarder au-delà de simples instantanés de température et de plutôt observer le bâtiment respirer et changer au fil des heures.
Une équipe de chercheurs à Béchar, en Algérie, a décidé de construire un jumeau numérique d'un appartement standard pour observer exactement comment ces forces se manifestent dans l'un des climats les plus exigeants de la Terre. Béchar est située dans une région hyperaride où les journées d'été sont brûlantes et où les nuits n'offrent qu'un bref répit de fraîcheur. Les chercheurs se sont concentrés sur une disposition d'appartement à trois pièces très courante, connue localement sous le nom de F3, qui représente une grande partie du parc immobilier de la région. Ils ont créé une simulation informatique détaillée qui décomposait l'appartement en six zones distinctes : un salon, une cuisine, deux chambres, un vestibule et une salle de bain. Au lieu de traiter le bâtiment comme une boîte unique, ils ont modélisé le flux de chaleur à travers les murs épais, le toit plat et les fenêtres à simple vitrage, tout en tenant compte de la chaleur générée par les personnes qui y vivent et des unités de climatisation qui tentent de les maintenir au frais.
La simulation a commencé en supprimant la climatisation et les habitants pour voir comment le bâtiment se comportait de lui-même. Sans aucun système de refroidissement, l'appartement est rapidement devenu un four. Les chercheurs ont découvert que les matériaux du bâtiment, qui comprenaient des briques creuses et du béton, absorbaient l'énergie solaire intense pendant la journée mais ne pouvaient pas la libérer assez vite la nuit. Cela a provoqué une montée de la température interne de plus en plus élevée chaque jour jusqu'à atteindre un pic dangereux. Le salon et l'une des chambres, tous deux orientés vers l'ouest et le sud, ont été les plus touchés, avec des températures grimpant jusqu'à 46 degrés Celsius. Cela s'est produit parce que le soleil couchant frappait ces murs directement alors que l'air extérieur était déjà à son maximum, créant une tempête de chaleur parfaite que la structure du bâtiment ne pouvait pas résister. Même les pièces sans exposition directe au soleil, comme la salle de bain, se sont réchauffées de manière significative car la chaleur voyageait à travers les murs internes depuis les pièces plus chaudes adjacentes.
Lorsque les chercheurs ont réintroduit la vie quotidienne d'une famille typique dans le modèle, le tableau a changé de manière surprenante. La présence de personnes ajoutait un flux constant de chaleur corporelle, mais plus important encore, elle modifiait le moment des pics de chaleur. La simulation a montré que les pics de température dans les chambres et le salon ne suivaient pas seulement le soleil ; ils suivaient l'emploi du temps de la famille. À mesure que les gens rentraient chez eux en soirée, leur chaleur métabolique se combinait à la chaleur déjà stockée dans les murs, créant des pics de température aigus et dentelés qui reflétaient leurs mouvements. Le salon, où la famille se rassemble en soirée, est devenu l'espace le plus critique, atteignant des températures de 47 degrés Celsius lorsqu'il est occupé. Cela a démontré que la performance thermique d'un bâtiment ne dépend pas seulement de ses murs et de ses fenêtres, mais qu'elle est profondément liée au moment et à l'endroit où les gens se trouvent à l'intérieur.
Pour rendre l'appartement habitable, les chercheurs ont ensuite allumé la climatisation dans la simulation, en fixant un objectif strict de maintien d'une température confortable de 25 degrés Celsius. Les résultats sont frappants. L'énergie requise pour combattre la chaleur extrême était massive. Le salon à lui seul a exigé plus de puissance de refroidissement que n'importe quelle autre pièce, consommant près de 15,6 kilowatts-heures d'électricité chaque jour. Sur la durée d'un mois, l'appartement entier utiliserait plus de 1 600 kilowatts-heures d'électricité juste pour rester au frais, un chiffre qui souligne la lourde charge imposée au réseau électrique dans de tels climats. L'étude a également testé l'importance de l'efficacité de l'unité de climatisation. Ils ont constaté que l'utilisation d'une machine plus efficace pouvait réduire la facture énergétique de près de 15 %, tandis qu'une unité plus ancienne et moins efficace augmenterait la consommation de 20 %. Cela a prouvé que le choix de l'équipement est tout aussi important que la conception même du bâtiment.
L'étude a conclu que le style de construction actuel dans cette région, avec ses murs fins et ses fenêtres à simple vitrage, n'est tout simplement pas conçu pour gérer la chaleur extrême de Béchar sans aide mécanique. Les chercheurs ont suggéré des changements pratiques qui pourraient faire une réelle différence, comme l'ajout d'ombrages sur les fenêtres orientées au sud pour bloquer le soleil avant qu'il ne frappe le verre, ou le passage à des fenêtres à double vitrage qui emprisonnent moins de chaleur. Ils ont également proposé une stratégie consistant à ouvrir les fenêtres la nuit pour laisser l'air frais laver les murs louragers du bâtiment, les refroidissant avant que le soleil ne se lève à nouveau. En comprenant la manière précise dont la chaleur circule dans une maison et comment les gens interagissent avec cette chaleur, les scientifiques peuvent aider les architectes à concevoir des bâtiments qui sont non seulement plus frais, mais aussi beaucoup plus efficaces, transformant la lutte contre la chaleur du désert en un défi gérable.
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