& ATELIER| STATISTIQUES, MATHÉMATIQUES ET PHYSIQUES
VIIème Colloque des Sciences, Cultures et Technologies
Campus universitaire d’Abomey-Calavi - BENIN du 16 au 21 septembre
2019
VIIème COLLOQUE DE L’UNIVERSITE D’ABOMEY-CALAVI
DES SCIENCES, CULTURES ET TECHNOLOGIES
DU 16 AU 21 SEPTEMBRE 2019
ACTES DU COLLOQUE
VIIème COLLOQUE : DES SCIENCES, CULTURES ET TECHNOLOGIES | UAC,
2019
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© Université d’Abomey-Calavi - BENIN
ISSN : 1840-5851-Editions décembre 2019
EDITEUR : Conseil Scientifique de l’Université d’Abomey-Calavi
Téléphone : (+229) 21 36 00 74 ; Fax. : (+229) 21 36 00 28 Email :
[email protected]
COMITÉ DE RÉDACTION Directeur de publication : Professeur Félicien
AVLESSI
Secrétaire scientifique : Professeur Aliou SAIDOU
Membres : Docteur Sylvain KPENAVOUN, Maître de Conférences
: Monsieur Césaire YADOULETON
: Professeur Eugène EZIN
COMITÉ SCIENTIFIQUE DE LECTURE ET DE SÉLECTION DES COMMUNICATIONS
Président : Professeur Adam AHANCHEDE
Rapporteurs : Professeur Aliou SAIDOU
: Docteur (MC) Sylvain KPENAVOUN
: Professeur Sahidou SALIFOU
: Professeur Madjidou OUMOROU
: Professeur Aristide HOUNGAN
: Docteur (MC) Kifouli ADEOTI
: Docteur (MC) Etotépé SOGBOHOSSOU
: Docteur (MC) Florent Jean-Baptiste QUENUM
: Docteur (MC) A. S. Afio ZANNOU
: Docteur (MC) Gbènoukpo Barthélémy HONFOGA
: Docteur (MC) Delphine ADANDEDJEAN
| Page 4 |
: Docteur (MA) Félix ALLADASSI KOUELO
: Docteur (MA) Djidjooh Mathieu Maurice AHOUANSOU
: Docteur (MA) Akomian Fortuné AZIHOU
: Docteur (MA) Déley Sylvain DABADE
: Docteur (MA) Camus Mahougnon ADOLIGBE
: Docteur (MA) Gbênagnon Serge AHOUNOU
: Docteur (MA) Julien AVAKOUDJO
: Docteur (MA) Philippe SESSOU
Lettres et Sciences Humaines
: Professeur Yves Antoine TOHOZIN
: Docteur (MC) Ariane DJOSSOU
: Docteur (MC) Ibouraïma YABI
: Docteur (MC) Coffi SAMBIENI
: Docteur (MC) Toussaint VIGNINOU
: Docteur (MA) Clarisse NAPPORN
: Docteur (MA) Ibrahim YEKINI
: Docteur (MA) Fernand NOUWLIGBETO
d’Activités Physiques et Sportives
: Professeur Kossivi ATTIKLEME
: Professeur Mansourou LAWANI
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: Professeur Cossi Emmanuel HOUNKOU
: Docteur (MCA) Albert HONLONKOU
Sciences Exactes et Sciences de l’Ingénieur
: Professeur Félix HONTINFINDE
: Professeur Aristide Cossi ADOMOU
: Docteur (MC) Ahoéfa Amélé Eugénie ANAGO
: Docteur (MA) Sophie BOGNINOU
: Docteur (MA) Léopold DJOGBE
: Docteur (MCA) Hilaire AKEREKORO
| Page 6 |
REMERCIEMENTS
Le Conseil Scientifique de l’Université d’Abomey-Calavi (UAC)
adresse ses sincères
remerciements à tous les sponsors et partenaires qui ont lui ont
apporté leur soutien
multiforme dans le cadre des préparatifs du VIIème colloque de
l’UAC des Sciences,
Cultures et Technologies. Il adresse également ses remerciements à
tous les
Enseignants-Chercheurs de l’UAC qui ont activement participé aux
travaux d’évaluation
des résumés et des textes complets des manuscrits.
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SOMMAIRE
OPTIMISATION DES PERFORMANCES D’UN SYSTÈME SOLAIRE PASSIF PAR
SIMULATION
NUMÉRIQUE
9
PROTOTYPE D’UN SYSTÈME D’IRRIGATION AUTONOME ET EFFICIENTE EN EAU
DES
CULTURES
24
EFFET DE L’EXTRAIT AQUEUX DU MÉLANGE DE CISSUS POPULNEA ET MUSA
PARADISIACA
SUR LA SPERMATOGENÈSE : IMPORTANCE DE LA PRODUCTION DE
L’INTERLEUKINE-6 PAR
LES CELLULES DE SERTOLI
Eugénie A. A. ANAGO, Jean Robert B. KLOTOE, Cédric B.O. ADDA,
Gisèle J. EGOUNLETY-
TOUDONOU
34
MODÉLISATION PHYSICO-CHIMIQUE DES COMPLEXES DE LA MYRICÉTINE PAR
LES IONS
ZINC II
R. Chabi Doco, M. T. A. Kpota Houngue, Urbain A. Kuevi, Gaston A.
Kpotin, Y. G. S. Atohoun, Jean-
Baptiste Mensah et Michael Badawi
44
LATÉRITIQUE (BÉNIN)
BABALIYE Olivier, Dr HOUANOU Kocouvi Agapi, Prof TCHEHOUALI
Adolphe, Prof VIANOU
Antoine, Prof FOUDJET Amos Erick.
54
PRÉDICTION DE LA PRESSION DE GONFLEMENT DES SOLS ARGILEUX DE LA
DÉPRESSION
DE TCHI AU BÉNIN
Koffi J. AGBELELE, Abalo P' KLA, DARA Kébir Sanny, Gérard GBAGUIDI
AÏSSE, Gérard DEGAN
66
COMPORTEMENT HYDROMECANIQUE D’UN SOL GONFLANT NON SATURE : CAS DES
SOLS
DE LA COMMUNE DE POBE
Koffi J. AGBELELE, Abalo P' KLA, DARA Kébir Sanny, Gérard GBAGUIDI
AÏSSE, Gérard DEGAN,
78
ETUDE DE L’INFLUENCE MUTUELLE DES PRISES DE TERRE PAR LA RÉSOLUTION
DES
ÉQUATIONS DE MAXWELL
vincent HOUNDEDAKO, Romain Vilevo ADANHOUNME, Antoine VIANOU
87
AMELIORATION DU CAPTEUR DE FLUX DE CHALEUR FEMTO-ST PAR RESOLUTION
DU
PROBLEME INVERSE AVEC LA METHODE DE GRADIENT CONJUGUE AVEC
PROBLEME
ADJOINT
97
LINEAIRE DU BOIS DE BORASSUS
Robert MICHOZOUNNOU, Valéry K. DOKO, Gérard GBAGUIDI AÏSSE.
109
OPTIMISATION DE LA PORTEE D’UNE VOUTE NUBIENNE PAR LA THEORIE DE LA
CHAINETTE
RENVERSEE (BENIN)
Valery K. DOKO, Damien A. AHOSSI, Edem CHABI, Edmond C.ADJOVI
121
SECURISATION DES DOCUMENTS PAR LA SIGNATURE NUMERIQUE AU MOYEN
DES
COURBES ELLIPTIQUES
135
VALORISATION DES SOUS-PRODUITS DE LA FILIERE COTON AU BENIN :
CONCEPTION ET
REALISATION D’UNE DEFIBREUSE MANUELLE ET D’UNE THERMO-PRESSE
POUR
L’ELABORATION DES PLAQUES
GBEGBO Eric, ALAKOUKO Abdou Raïmi O. I., OKENIYI Nawarath A. O.,
TOUKOUROU Chakirou A
146
SIMULATION NUMERIQUE DE L’INFLUENCE DU COUPLE SUR LE
COMPORTEMENT
MECANIQUE DES ENGRENAGES EN COMPOSITE : CAS DU HDPE 40
K. F. WOTODZO, K. A. KASSEGNE D. KOFFI,
164
NRZ-OOK VS OFDM
Mawutin Martien Carlos AGOSSOU, Léopold DJOGBE, Fréjus SANYA,
Patrick SOTINDJO, Antoine
VIANOU, Christelle AUPETIT-BERTHELEMOT
Dodema BITENIWE and Kossi Essona GNEYOU
193
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OPTIMISATION DES PERFORMANCES D’UN SYSTÈME SOLAIRE PASSIF PAR
SIMULATION NUMÉRIQUE
APOVO D. Berléo1, 2, AHOUANNOU Clément1, 2, OSSENI Sibiath1, 2,
LANZETTA François3 1 : Laboratoire d’Energétique et de Mécanique
Appliquée (LEMA), Ecole Polytechnique d’Abomey-Calavi (EPAC), 2 :
Laboratoire de Contrôle des Lampes (LCL), Centre Autonome de
Contrôle de Conformité aux Normes de Performance Energétique,
EPAC-UAC, 3 : Laboratoire FEMTO, Université de Belfort, Franche
Comté, France.
Résumé
Dans un contexte global de développement durable, le secteur du
bâtiment demeure à l’échelle mondiale un poste
important de consommation d’énergie et d’émissions de gaz à effet
de serre, du fait des besoins en matière de
chauffage et de climatisation pendant l’exploitation. Pour répondre
à cette problématique dans le bâtiment, les
systèmes solaires passifs sont une approche de solutions. Il
s’avère donc indispensable d’optimiser leur
fonctionnement et d’évaluer leur performance, afin de profiter
pleinement de leur potentiel. La présente étude qui a
pour objectif de proposer un système solaire passif offrant un
meilleur confort thermique, hygroscopique et aéraulique,
s’est intéressée à l’optimisation des performances d’un « mur
trombe », par simulation numérique. Une configuration
d’été d’une maison solaire présentant un mur Trombe dans son
architecture a été analysée et simulée par une
approche CFD (Computational Fluid Dynamics), avec le solveur Fluent
18.2. Les murs massifs formés à partir de béton
de ciment, de béton de fibre de bananier et de bois ont été
étudiés. Il ressort de cette étude que le bâtiment réalisé
avec un mur massif en béton de ciment présente de meilleures
performances, du point de vue du confort thermique ;
hygroscopique et aéraulique. Les températures opérationnelles
obtenues à l’intérieur de l’espace habitable du bâtiment
se situent entre 19,4 °C et 23,7 °C, la vitesse de l’air varie
entre 0,1 et 0,2 m s-1. L’humidité relative de l’air dans
l’espace habitable est dans la plage de 55,5 à 72,2 % ; ce qui est
conforme aux valeurs recommandées par ASHRAE
pour situer les zones de confort hygrothermique et
aéraulique.
Mots clés : CFD, confort hygrothermique et aéraulique, mur Trombe,
Système solaire passif.
Abstract
In a global context of sustainable development, the building sector
remains an important global energy consumption
and greenhouse gas emissions item, due to the need for heating and
cooling during the summer. To answer this
problem in the building industry, passive solar systems are a
solution. It is therefore essential to optimize their
performance, in order to take full advantage of their potential.
The present study which aims to propose a passive solar
system offering a better thermal, hygroscopic and aeraulic comfort,
was interested in the optimization of the
performances of a "wall trombe", by numerical simulation. A summer
configuration of a solar house with a Trombe wall
in its architecture was analyzed and simulated by a CFD
(Computational Fluid Dynamics) approach, with the Fluent
18.2 solver. The massive walls formed from cement concrete, banana
fiber concrete and wood were studied. It emerges
from this study that the building made with a solid wall made of
cement concrete has better performance from the point
of view of hygrothermal and aeraulic comfort. The operating
temperatures achieved within the building living space are
between 19.4 ° C and 23.7 ° C, the air speed varies between 0.1 and
0.2 m s-1. The relative air humidity in the living
space has been determined and is in the range of 55.5 to 72.2 %;
which is in line with the values recommended by
ASHRAE to locate hygrothermal and aeraulic comfort zones.
Key words : CFD, hygrothermal and aeraulic comfort, Passive solar
system, Trombe wall.
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Introduction
La consommation énergétique mondiale augmente de plus en plus. Tous
les secteurs d’activités sont concernés en
particulier celui du bâtiment, qui demeure à l’échelle mondiale un
poste important de consommation d’énergie, avec
plus de 40% de la production mondiale, et est source d’émissions
polluantes (Lou, 2012; Daouadji, 2017). La réduction
de la consommation d'énergie d'un bâtiment et l'amélioration de la
qualité de l'ambiance intérieure sont donc deux
enjeux majeurs auxquels sont confrontés les professionnels des
bâtiments dans le monde entier (Valdiserri, et al.,
2015 ; Kim, et al., 2017). Il devient nécessaire de mettre à la
disposition des concepteurs de bâtiments, des moyens
efficaces, techniques et technologiques pour optimiser les projets
de construction en fonction des contraintes locales,
en particulier météorologiques. On attend alors du bâtiment, qu’il
offre un confort naturel en toute saison (Hollmuller et
al., 2003 ; Zhongting et al., 2016). Pour répondre à cette
problématique, l’efficacité énergique dans le bâtiment est à
envisager. Parmi les solutions d’amélioration de l’efficacité
énergétique dans le bâtiment, il est d’usage de distinguer
les solutions dites «passives» qui consistent à réduire la
consommation d’énergie des équipements et des matériaux
grâce à une meilleure performance intrinsèque et les solutions
dites «actives» visant à optimiser les flux et les
ressources.
Ces dernières décennies, on note une prise de conscience des effets
néfastes des bâtiments (construction, chauffage,
climatisation) sur l’environnement. Elle a conduit à l’émergence
des concepts de « bâtiments écologiques », de «
constructions bioclimatiques » ou de « maisons solaires »
(Tittelein, 2012). L’utilisation de l’énergie solaire dans le
bâtiment est considérée comme une démarche visant à réduire sa
consommation énergétique. Le rayonnement solaire
est d'une utilisation dite passive lorsqu’il réchauffe directement
un corps (exemple un bâtiment), soit en pénétrant par
les fenêtres ou soit en s'accumulant dans des masses de matière
(Chabane, 2015). Plusieurs facteurs affectent
l'efficacité et la performance des systèmes solaires dans les
bâtiments, il s’agit de la méthode d'utilisation de l'énergie
solaire (active ou passive), des conditions géographiques et
climatiques de la région (latitude et longitude, température
mensuelle moyenne, vitesse de vent, intensité et durée du
rayonnement solaire), de la position et l’orientation du
bâtiment et des systèmes solaires, la géométrie du bâtiment (impact
de la structure et de la forme du bâtiment sur la
quantité et la méthode de réception de l'énergie solaire, les
dimensions et installation des murs transparents dans les
façades) et les matériaux de constitution des murs (capacité
d'absorption, de stockage et de diffusion de chaleur des
matériaux) (Sobhan & Mohammadi, 2016).
L'approche solaire passive présente de nombreux avantages,
notamment la simplicité de la technologie, le faible coût,
la fiabilité et la durabilité. Elle est réalisée en essayant de
maximiser l’apport de chaleur en hiver et de le minimiser en
été (Eduardo, et al., 2013). Plusieurs concepts ont été développés
pour les systèmes solaires passifs. Ce sont
principalement : le gain direct, le gain indirect (mur
collecteur-stockeur), (Duffie & Beckman, 2013; Dillmann,
2014;
Guignard, 2010; Yan, et al., 2017).
Divers dispositifs architecturaux, tels que les cheminées solaires
(Zhai , et al., 2011), les toits solaires (Fiaschi &
Bertolli, 2012), les murs Trombe sont alors utilisés dans la
construction. En dehors d'être écologique, l’utilisation d’un
mur Trombe dans la construction peut réduire la consommation
d'énergie d'un bâtiment jusqu'à 30 % (Hordeski, 2004).
On retrouve plusieurs configurations de murs Trombe : le mur Trombe
classique, le mur Trombe composite, le mur
d'eau Trombe, le mur Trombe en zigzag, la paroi trans-solaire, le
mur hybride solaire, le mur Trombe avec des
Matériaux à Changement de Phase (MCP), le mur Trombe fluidisé et le
mur Trombe- PV. Ces systèmes se sont
montrés globalement efficaces. Néanmoins, on doit savoir contrôler
et maîtriser la quantité de chaleur captée pour
éviter les surchauffes lors des périodes de la journée fortement
ensoleillées (Salem, 2007), ainsi des problèmes
d’inconfort pourraient survenir en particulier l’été (Stazi, et
al., 2011; Imessad & Belhamel, 1999). De ce fait, des
approches de solution ont commencé à être développées en vue
d’améliorer le confort en été.
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Shaoqing et al., (2017) se sont intéressés à l’optimisation de la
conception passive des bâtiments résidentiels
nouvellement construits à Shanghai, pour l’amélioration du confort
thermique intérieur tout en réduisant la demande
d'énergie du bâtiment. Ils ont fait plusieurs suggestions : il
s’agit entre autre du niveau d’étanchéité, de l'orientation
du
bâtiment, de la surface des ouvertures sur les parois, de la
transmission à travers les fenêtres qui doit être basse, de
l’absorption solaire élevée sur le toit, de l’indice d'inertie
thermique élevé de la paroi Sud et faible pour le mur Nord.
Généralement, il existe trois manières de résoudre le problème des
écoulements thermiques : les approches
analytique, expérimentale et numérique. Ormiston, et al. (1986) ont
été les premiers à effectuer, une prédiction
numérique du système de mur Trombe. Leur étude a conclu que
l'interaction de l’intérieur et la couche d'air étaient le
principal facteur affectant le flux d'air et le transfert de
chaleur. De même, Gan (1998) a effectué une étude
paramétrique en utilisant des mesures de flux d'air bidimensionnel
pour différentes hauteurs de murs, types de vitrages
et isolations murales afin d’optimiser les effets de
refroidissement d'un mur Trombe. La forme compliquée des
équations des conditions aux limites impose beaucoup de difficultés
à essayer de résoudre les équations
mathématiques en thermique par un schéma numérique régulier. En
outre, cette résolution est rendue compliquer par
la variation non régulée des paramètres climatiques ambiants
(température ambiante et rayonnement solaire). En se
basant sur des études antérieures pour formuler des hypothèses
simplificatrices, Shtrakov & Stoilov (2005), ont
développé et validé une nouvelle approche de la méthode des
différences finies pour l'analyse thermique des systèmes
solaires passifs. Shen, et al. (2007) ont étudié les performances
thermiques d’un mur Trombe classique et d’un mur
Trombe composite à partir de la méthode des différences finies. Ils
ont fait part de la difficulté de calculer et d'analyser
avec précision le comportement thermique des parois de l'enveloppe
du bâtiment lorsque coexistent différents modes
de transfert thermique et à cause des phénomènes climatiques
particulièrement aléatoires.
Bien que ces études aient aidé à produire une gamme de critères de
conception pour certains aspects des murs de
Trombe, de nombreuses hypothèses sont utilisées pour réduire la
complexité des équations aux dérivées partielles
simultanées nécessaires pour analyser un tel système complexe. Cela
rend l'analyse numérique difficile à utiliser
comme outil de conception à moins qu'elle ne soit logée dans un
ensemble de calcul plus performant (Chelsea, 2016).
De même, la méthode expérimentale permet d’étudier plusieurs
problèmes. Son inconvénient est qu’elle nécessite
beaucoup de temps pour l’installation et que son coût est parfois,
sinon toujours, élevé. De plus, l’approche
expérimentale ne permet d’obtenir la valeur des variables d’intérêt
que pour certains cas très particuliers ; l’étude
paramétrique est le plus souvent impossible (Boukadida,
2015).
Plusieurs approches numériques permettent de modéliser le flux
d'air intérieur dans les bâtiments. L’approche statique
monozone est la première à se baser sur la réalisation d’un bilan
énergétique complet. Dans ce cadre, le bâtiment est
considéré comme une et une seule zone au sein de laquelle la
température est « uniforme ».
L’approche multizone constitue aujourd’hui une technique la plus
aboutie de simulation pour nombre de professionnels
du bâtiment. Elle se base sur la division du bâtiment étudié en
différentes zones au sein desquelles la température est
supposée uniforme. Chaque zone se comporte alors individuellement,
à l’image d’une simulation monozone. Le calcul
est cette fois dit dynamique car il est réalisé de manière
itérative, généralement heure après heure, sur une période
temporelle définie (typiquement un an).
L'utilisation d'un logiciel de simulation intégrant un code CFD
vérifié permettrait de tester et d'optimiser plusieurs
paramètres dans différents climats s'il peut être validé avec des
données expérimentales existantes. En effet, le
modèle multizone est différent de la CFD qui décompose une zone de
bâtiment en une grande quantité de volumes
de contrôle et peut fournir une description détaillée du flux d'air
en résolvant les équations de Navier-Stokes (Chen
2009). Le terme CFD (Computational Fluid Dynamics) désigne, en
toute rigueur, l’ensemble des outils numériques de
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mécanique des fluides visant à connaître de manière détaillée la
valeur des propriétés telles que la masse volumique,
vitesse, pression, température, etc. d’un écoulement de fluide
(liquide ou gaz
En effet, étant donné que l'utilisation de CFD dans la conception
de systèmes de bâtiments n'a été effective que
récemment dans le cadre d'études sur l'environnement des bâtiments,
il existe très peu d’étude antérieures sur
lesquelles on peut fonder une méthode de validation. Pour la
plupart des logiciels de simulation par ordinateur, la
meilleure façon de légitimer les valeurs simulées est de les
comparer aux valeurs réelles surveillées de la même
configuration que le modèle (Chen & Srebric, 2002).
Le logiciel CFD utilise les équations générales de conservation de
l'énergie, de la masse et de l'impulsion pour calculer
le transfert de masse et de chaleur entre les volumes discrétisés.
Le mouvement de l'air, la température de l'air et la
température radiante des limites de ces volumes sont réglés sur une
condition initiale. Ces conditions aux limites sont
basées sur des données climatiques ou matérielles locales. Une fois
les conditions aux limites définies, le logiciel CFD
simulera ensuite le flux d'air et l'échange de chaleur entre les
surfaces limites et les volumes adjacents, puis vers
chaque volume environnant.
La présenté étude a pour objectif de tenir compte de plusieurs
paramètres caractéristiques d’un modèle de mur Trombe
proposé, pour optimiser ses performances, en utilisant une approche
CFD, à l’aide du logiciel Ansys Fluent 18.2.
Matériel et méthodes
Matériel
Le matériel utilisé est constitué de divers éléments. En ce qui
concerne les outils de simulation, cette étude a été faite
à l’aide d’un ordinateur portatif de marque Hp, modèle Probook
4540s, de processeur Intel(R) Core (TM) i3-3110M
CPU @ 2.40GHz, 2 cœurs, 4 processeurs logiques avec 6,00 Go de
mémoire RAM installée. Le logiciel de simulation
CFD a été retenu et est installé sur cet ordinateur, il est le
logiciel Ansys 18.2. Dans ce logiciel, l’édition des
géométries
a été faite avec les modules DesignModeler et SpaceClaim. Le
maillage du domaine été réalisé avec l’éditeur de
maillage intégré à Ansys 18.2. Le solveur utilisé pour cette étude
est Fluent. Pour l’affichage des résultats, le module
CFD-Post a été utilisé. L’humidité relative de l’air à été
déterminée à partir des logiciels CoolPack version 1.49 et
ESS
6.163. Le tracé des courbes a été effectué par le logiciel
OriginPro 8.5.
La configuration de maison solaire passive avec mur Trombe simulé
est contitué d’une pièce simple avec la paroi
Trombe orienté vers le Sud. Les conditions météorologique de la
ville de Belfort (France) ont été utilisées pour la
simulation. La pièce habitable du local de référence est de largeur
3 m, de longueur 3 m et de hauteur 2,7 m. Le mur
Trombe se compose de verre simple de 0,004 m, d’un vide d’air de
0,2 m et d’un mur de béton de 0,15 m d’épaisseur
(fig. 1). Le but principal de cette étude étant de réduire les
problèmes d’inconfort en été, il a été proposé une
configuration de mur Trombe d’été, pour laquelle le volet bas du
mur Trombe est fermé, une ouverture est faite à
l’arrière du bâtiment permettant l’admission d’air frais dans le
local. La sortie de l’air chaud du local est faite à travers
une ouverture située à la partie supérieure du vide d’air entre le
verre et le mur Trombe.
L’ouverture supérieure faite dans le mur massif de 1,5 m × 0,2 m à
0,15 m du plafond. Celle réalisée dans le mur Nord
du bâtiment est faite sur toute la largeur, sur une hauteur de 0,15
m à partir du plancher.
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Les propriétés thermophysiques des matériaux constituants le modèle
physique de bâtiment proposé sont présentées
dans le tableau 1.
Tableau 1 : Propriétés thermophysiques des matériaux utilisés :
Béton et vitre en verre (Bajc, et al., 2014), Béton de
fibre de bananier (Osséni, 2017)
Propriétés Béton de
thermique () 1,500 0,024 0,810 0,350 0,173 W m-1 K-1
Capacité thermique
() 960 1006,43 840 835 2310 J kg-1 K-1
Densité () 2000 1,225 2500 1169 700 kg m-3
L’optimisation des performances des systèmes solaires thermiques
repose généralement sur quatre aspects (Öü,
2013) : la géométrie et l'orientation du mur solaire ; les
propriétés du matériau constituant le mur ; l’épaisseur et le
volume de l'espace Trombe (vide d’air) ; les dimensions et les
positions des orifices sur le mur Trombe.
Dans cette étude, les propriétés des matériaux constituants le mur
massif seront étudiées avec l'analyse CFD. A cet
effet, des murs massifs en béton de ciment, en béton de fibre de
bananier et en bois seront simulés et leurs
performances seront évaluées.
Plafond Mur Ouest
le mur massif
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Présentation de la méthode CFD dans Ansys
Les codes CFD dans Ansys sont structurés autour des algorithmes
numériques qui traitent les problèmes de circulation
des fluides. Afin de faciliter leur résolution, tous les logiciels
commerciaux de CFD comprennent des interfaces
sophistiquées pour entrer les paramètres du problème et pour
examiner par la suite les résultats. Ainsi, codes CFD de
Ansys contiennent trois éléments principaux : un pré-processeur, un
solveur et un post-processeur. La figure 2 illustre
la procédure de réalisation d’une simulation avec Ansys
Fluent.
Figure 0 : Procédure de simulation
Le pré-processeur consiste à créer un modèle représentatif du
problème d’écoulement avant sa résolution numérique.
Cette étape comprend la création du domaine de calcul, la
génération du maillage, le choix du phénomène physique
qui nécessite d’être résolu, la définition des propriétés des
fluides et solides et la spécification des conditions aux
limites. Dans l’étape du pré-processeur, la forme et la taille des
éléments dans un domaine d’écoulement jouent un
rôle important pour la précision de la solution et pour le temps de
calcul nécessaire pour résoudre le problème. Dans
une simulation 3D, la forme parfaite est un hexaèdre parce que le
nombre d’éléments est plus faible que si les éléments
utilisés sont des tétraèdres et les éléments peuvent être alignés
avec l’écoulement. En conséquence, le temps de
simulation est réduit, et les résultats sont plus précis
(Boukadida, 2015).
La plupart des logiciel CFD utilisent l’approche du volume de
contrôle. Ansys comprend plusieurs solveurs dont Fluent
et CFX. Pour la prise en compte des charges solaires, le solveur
Fluent a été retenu. L’algorithme numérique de cette
méthode est en trois étapes. A la première étape, les équations de
l’écoulement du fluide sont intégrées sur l’ensemble
des volumes de contrôle du domaine. Dans une seconde étape, les
équations non linéaires sont linéarisées et les
équations résultantes sont converties en équations algébriques.
Enfin, les équations sont solutionnées algébriquement
grâce à une méthode itérative.
Le post-traitement est un moyen pour présenter les résultats des
prédictions et produire les images et animations CFD.
Il existe plusieurs méthodes pour présenter les résultats tels que
les tracés des vecteurs, des contours et des surfaces
2D et 3D.
a. Hypothèses de base
Plusieurs hypothèses ont été adoptées dans le cadre de la présente
étude. Les équations de Navier-Stokes,
combinées au modèle de turbulence RNS et au modèle de rayonnement,
ont été résolues dans le solveur Fluent en 3
dimensions qui se base sur la méthode des volumes finis. Le fluide,
l’air, est considéré comme un gaz parfait
incompressible. Le solveur était basé sur la pression avec un
schéma de couplage pression-vitesse. Toutes les
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2019
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discrétisations spatiales sont de second ordre. Un modèle k − ε
standard à deux équations a été utilisé pour fermer
l'ensemble des équations qui gouvernent le régime turbulent. Dans
cette étude, l'hypothèse de Boussinesq a été
utilisée afin de considérer la flottabilité provoquée par les
différences de température.
b. Conditions initiales
Ansys Fluent fournit un modèle de charge solaire qui peut être
utilisé pour calculer les effets du rayonnement soleil qui
entrent dans un domaine de calcul. L'approche par le tracé des
rayons du soleil est un moyen très efficace et pratique
d'appliquer des charges solaires en tant que sources de chaleur
dans les équations d'énergie. Ansys est doté d'un
utilitaire de calculatrice solaire qui peut être utilisé pour
construire l'emplacement du soleil dans le ciel pour une
heure,
une date et une position données. La charge solaire est disponible
uniquement dans le solveur 3D et peut être utilisée
pour modéliser des écoulements stables et instationnaires. Il
permettra de déterminer la transmission solaire à travers
toutes les surfaces vitrées au cours d'une journée, ce qui
permettra de prendre des décisions importantes avant
d'entreprendre des études d'écoulement. Cinq modèles de rayonnement
sont disponibles dans le solveur Fluent. Il
s’agit du modèle d'ordonnées discrètes (DO), modèle de rayonnement
de transfert discret (DTRM), modèle de
rayonnement P1, modèle de Rosseland et modèle Surface-to-Surface
(S2S). Le modèle de rayonnement (S2S) peut
être utilisé pour modéliser le rayonnement dans les systèmes de
capteurs solaires et les appareils de chauffage
radiatifs basé sur un facteur de vue.
Nous avons opté pour ce modèle. Il a été ensuite utilisé le
calculateur solaire pour la ville de Belfort (France) à une
date et un temps précis selon la saison. En France, le jour en
moyenne le plus chaud est vers le 20 juillet1. De ce fait,
pour la simulation de la configuration d’été, il a été retenu le 20
juillet pour le calcul de la charge solaire par le
calculateur
d’Ansys fluent avec un facteur solaire de 0,75. Le modèle de
rayonnement S2S permet les solutions d’irradiation sur
les parois semi-transparentes, ainsi que les problèmes de
rayonnement entre surface2.
c. Conditions aux limites
Les conditions aux limites concernent les différentes zones
étudiées. Les différents constituants des zones considérées
sont présentés dans les tableaux 2 à 4.
Tableau 2 : Type et état des zones retenus
Zone Vide d’air Mur Trombe Intérieur du local
Etat fluide solide fluide
Type de zone Type utilisé dans Fluent
Vitre en verre Wall
1 https://fr.wikipedia.org/wiki/Saison (consulté le 20 juillet
2018) 2 ANSYS FLUENT Theory Guide, Release 18.2 August 2017
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Tableau 4 : Résumé des conditions aux limites utilisées dans les
simulations CFD
Zone Vitre Parois verticales et
plafond
plancher
thermique
Résultats et discussion
Maillage du domaine d’étude
En mode de maillage, Fluent fonctionne comme un programme de
génération de maille capable de gérer des mailles
de taille et de complexité pratiquement illimitées. Les mailles
peuvent être constituées de cellules tétraédriques,
hexaédriques, polyédriques, prismatiques ou pyramidales. Dans cette
étude, il a été adopté un maillage adaptatif (fig
3). Ce maillage défini pour chaque corps considéré des géométries
de cellules adaptées. A cet effet, le local a été
constitué en 282795 nœuds et 135816 éléments.
(a) (b)
Figure 0 : Maillage 3D (a) vue isométrique (b) vue en coupe
transversale du local, pour la configuration proposée.
Présentation des résultats de simulation
Evolution des températures
La simulation du comportement du bâtiment a été faite aux
différentes heures 9 h, 12 h, 15 h, 18 h et 21 h en fonction
des matériaux constituant le mur massif. Pour raison de gestion
d’espace, seule l’évolution de la température sur le
contour du bâtiment et au centre de l’espace habitable à 15h à la
date de simulation (20 juillet) a été présenté pour les
différents matériaux utilisés (fig.4, 5 et 6). La figure 7 est un
récapitulatif de l’évolution de la température au centre de
l’espace habitable en fonction du temps, pour chaque matériau
étudié.
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(a) : Température de contour du local (b) : Température au sein du
local
Figure 4 : Températures obtenues pour mur massif en béton de
ciment
(a) : Température de contour du local (b) : Température au sein du
local
Figure 5 : Températures obtenues pour mur massif en béton de fibre
de bananier
(a) : Température de contour du local (b) : Température au sein du
local
Figure 6 : Températures obtenues pour mur massif en bois
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Figure 7 : Evolution de la température au centre de l’espace
habitable du local
Après lecture des figures 4 à 7, on note une variation de la
température de contour extérieur entre 19 °C et 183 °C.
Les valeurs maximales de températures sont enregistrées à 15 h.
Cela s’explique par l’apport solaire journalier
parvenant à la vitre entre 12 h et 15 h ; et surtout, par la masse
d’air emprisonnée dans la partie inférieure du vide d’air
située entre la vitre et le mur massif, qui s’échauffe
progressivement en décrivant presque le profil de l’intensité
du
rayonnement réciproque entre les différentes parois du local, au
cours d’une journée. La réflexion multiple des parois
du local dans l’infra-rouge, associée aux différents transferts à
travers les parois entraînant une élévation progressive
de la température depuis le lever du soleil pour atteindre sa
valeur maximale au voisinage de 15 h, puis décroit
progressivement pour prendre les faibles valeurs à partir de 21 h.
Le centre de l’espace habitable du local se comporte
alors comme une serre.
Malgré l’enregistrement de fortes températures au niveau des
contours du local et celles dans le vide d’air, les
températures obtenues dans l’espace habitable sont bien
supportables. Elles prennent des valeurs comprises entre
19,4 °C et 23,7 °C. Cela nous amène à affirmer que la convection
est le principal mécanisme de transfert de chaleur
dans le local.
Les plus faibles valeurs de températures sont observées à 21 h, ce
qui se justifie par le fait qu’à cette heure, le flux
reçu du soleil est nul. Seul le rayonnement des parois et la
température de l’air extérieur pourront être mis en jeu dans
les mécanismes de transfert.
La figure 8 est relative au gradient vertical de température à
l’intérieur du local. Nous observons sur cette figure, un
gradient de température de 2,45 K m-1.
9h 12h 15h 18h 21h 19
20
21
22
23
24
bois
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Figure 8 : Gradient vertical de température dans l’espace habitable
du local
Cette valeur est conforme à celle prévue par la norme ISO 7730
relative à l’ergonomie des ambiances thermiques, qui
prévoit une différence verticale de température < 3 °C/m. Nous
pouvons retenir de l’analyse de cette figure, que la
température ne peut être considérée uniforme dans l’espace
habitable du local. De ce fait, les valeurs de températures
au centre de l’espace habitable obtenues, ne seront considérées
qu’indicatives.
Etude de l’influence de la nature des matériaux constituant le mur
massif sur l’ambiance intérieure du local.
A l’analyse de la figure 7, nous pouvons retenir que les
températures les plus basses sont obtenues en utilisant un
mur massif en bois, elles sont légèrement plus élevées avec un mur
massif en béton de fibre de bananier et plus
élevées avec le béton de ciment. La température de l’air intérieur
recommandée en période estivale est de 23 à 26°C.
A cet effet, des trois matériaux constituant le mur massif
proposés, le béton de ciment parait présenter de meilleures
performances. Ce résultat, est en conformité avec ceux obtenus par
Do (2012) dans son étude portant sur la
«modélisation et l’optimisation d'un mur solaire avec vitrage dans
un bâtiment résidentiel». En effet, dans cette étude,
il prévoit une valeur optimale de 1,3 W m-1 K-1 pour la
conductivité thermique des matériaux constituant le mur
massif.
Dans notre présente étude, le béton de ciment utilisé à une valeur
de conductivité thermique de 1,5 W m-1 K-1, se
rapprochant de la valeur optimale, contre 0,35 W m-1 K-1 pour le
mortier de fibre de bananier et 0,173 W m-1 K-1 pour
le bois.
Il est a noté, dans le cadre de cette étude, que la simulation
n’ayant pas tenu compte des gains de chaleurs dus aux
occupants et équipements, les températures au centre de l’espace
habitable de bâtiment ci-dessus présentées,
pourraient connaitre des élévations que nous déterminerons pendant
nos prochaines études.
Vitesse de circulation de l’air dans le local
Les mouvements d’air accentuent les échanges de chaleur par
convection dans un bâtiment. La prise en compte de
ce paramètre permet de bien caractériser les conditions de confort
thermique dans un bâtiment. La figure 9 présente
la vitesse d’écoulement d’air dans le local étudié.
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Figure 9 : Vitesse d’écoulement de l’air dans le local
La vitesse d’écoulement de l’air dans l’espace habitable du local
varie entre 0,1 et 0,2 m s-1. Elle est conforme à la
vitesse recommandée par la norme ISO 7730 en été, soit < 0,25 m
s−1.
Le choix d’une configuration de maison solaire passive à mur Trombe
ventilé a permis d’obtenir une ambiance
intérieure confortable car, l’ouverture créée à l’arrière du
bâtiment permet l’admission d’air neuf qui évacue l’air chaud
du local. On note cependant une stagnation de l’air (vitesse nulle)
au centre et dans les quatre angles de l’espace
habitable.
Dans la partie basse du vide d’air (espace entre la vitre et le mur
massif), il n’y a presque pas d’écoulement, c’est une
zone de changement de direction de l’air, il représente un obstacle
pour l’écoulement. L’air se stratifie dans cette zone ;
c’est ce qui pourrait justifier les fortes valeurs de températures
observées à ce niveau.
Humidité relative de l’air
L’humidité relative de l’air au sein de l’espace habitable du local
n’a directement pas pu être déterminée par le logiciel
Ansys 18.2. Pour cela, nous avons procédé à sa détermination par
une méthode indirecte. En effet, l'humidité
absolue d'une masse d'air représente la quantité en grammes de
vapeur d’eau présente dans un volume ou une masse
(Wyer, 1906) d'air sec donné (Perry & Green, 2007). Sa valeur
reste constante même si la température de l’air varie
en restant supérieure à la température du point de rosée. A partir
des données de la figure 3.2 présentant les conditions
météorologiques de la ville de Belfort, nous avons une température
sèche de l’air de 19°C et une humidité relative de
74,1%. Ces deux paramètres ont permis de déterminer l’humidité
absolue de l’air grâce à un outil auxiliaire
« PROPERTIES » du logiciel CoolPack 1.49 (Annexe 1). Cet outil fait
appel à un calculateur de propriétés
thermodynamiques et thermophysiques du logiciel EES 6.163 (Annexe
2). L’humidité absolue est de 0,01016 kgeau.kg-
1 air_sec. La température à l’intérieur de l’espace habitable varie
entre 19,4°C et 23,7°C. L’humidité relative de l’air
correspondante varie entre 55,5% et 72,2%.
La plage acceptable d’humidité relative est de 35% à 65%. Les
résultats obtenus, en ce qui concerne l’humidité relative
de l’air dans l’espace habitable du local sont en conformité avec
les valeurs
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Conclusion
Le principal objectif de ce travail est d'optimisation des
performances des systèmes solaires passifs par simulation
numérique. Nous avons, pour cette étude, présenté une théorie sur
la notion de confort thermique et l’influence des
paramètres définissant le confort thermique sur l’ambiance
intérieure des locaux. Une étude bibliographique, sur les
systèmes solaires passifs en général, et de façon particulière sur
les murs Trombe, a été abordée. Cette partie a pris
en compte les différentes approches de résolution des problèmes de
transfert thermique dans le bâtiment. Les outils
de travail, tels que le matériel d’étude et le logiciel de
simulation ont été décrits, ce qui a permis de mettre en
exergue
la méthode utilisée pour la simulation ainsi que les différentes
hypothèses émises. Les différents résultats de
simulation obtenus, qui sont basés sur une étude comparative de la
température, de la vitesse de l’air et de l’humidité
relative de l’air dans le local d’étude et pour différents
matériaux constituant le mur massif, en fonction des heures
de
la journée ont été déclinés.
Il ressort globalement de cette étude préliminaire d'optimisation
des systèmes solaires passifs par simulation
numérique que la nature des matériaux composant le mur massif et le
système d’aération et les conditions
atmosphériques extérieures peuvent avoir une grande influence sur
le confort à l’intérieur d’un bâtiment.
Les résultats obtenus à l’issu de cette étude sont concluants et
offrent de nombreuses ouvertures pour de futurs
travaux. Il serait donc intéressant de penser à une simulation CFD
en régime variable sur une année, qui intègre
l’influence des occupants et des équipements, pour mieux apprécier
les paramètres de définition du confort thermique,
aussi bien dans les pays à climat chaud, que dans ceux à climat
froid. Il pourrait aussi être intéressant de mettre en
place un prototype instrumenté de mur Trombe. Enfin, il faudra
considérer également l'analyse économique du mur
solaire avec vitrage en tenant compte des coûts associés à la
fabrication et à la maintenance ainsi que des économies
liées à la performance du système.
Références bibliographiques Ashrae, 2010 : Standard 55-2010 --
Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy(ANSI
approved)
Bajc, T., Todorovic, M. N. & Svorcan, J., 2014. CFD Analyses
for Passive House with Trombe Wall and Impact to
Energy Demand. Energy and Buildings, Volume 98, pp. 39-44.
Barbason, M., 2015. La simulation thermo-aéraulique du bâtiment :
Validation et développement d’une approche
couplée CFD-Multizone pour l’étude de la modélisation du phénomène
de surchauffe estivale en Belgique, Belgique:
Université de Liège.
Boukadida, M., 2015. Étude numérique de l’écoulement dans un
collecteur solaire à tubes sous vide ouverts des deux
côtés., Monréal: École de Technologie Supérieure, Université du
Québec.
Briga-Sá, A. et al., 2014. Energy performance of Trombe walls :
adaptation of ISO 13790:2008(E) to the Portuguese
reality. Energy Build, Volume 74, pp. 111-119.
Chelsea, R. D., 2016. Development and validation of trombe walls in
autodesk simulation CFD , Appalachian State
University: Department of Sustainable Technology and the Built
Environment.
Chen, Q. (. & Srebric, J., 2002. A procedure for verification,
validation, and reporting of indoor environment CFD
analyses. HVAC&R Research, 8(2), pp. 201-216.
Daouadji, Y., 2017. Evaluation d'un système de rafraichissement
passif dans les zones chaudes et arides par
l'application d'un couplage puits Canadien et cheminée solaire.
Biskra: Université Mohamed Khider.
Dillmann, D., 2014. Architecture solaire passive et réhabilitation.
Marne-la-vallée(Ecole d'Architecture de la ville et des
territoires): s.n.
| Page 22 |
Do, M. T., 2012. Modélisation et optimisation d'un mur solaire avec
vitrage dans un bâtiment résidentiel, Quebec:
Faculté des études supérieures et postdoctorales de l'Université
Laval.
Duffie, J. A. & Beckman, W. A., 2013. Solar Engineering of
Thermal Processes. University of Wisconsin-Madison:
Wiley.
Eduardo, K., Eimi, S. & Adalberto, M., 2013. Evaluation of a
Trombe wall system in a subtropical location. Energy and
Buildings, Volume 66, p. 364–372.
Fiaschi, D. & Bertolli, A., 2012. Design and exergy analysis of
solar roofs: a viable solution esthetic appeal to collect
solar heat. Renew Energy , Volume 46, p. 60–71.
Gan, G., 1998. A parametric study of Trombe walls for passive
cooling of buildings. Energy and Buildings, 27(1), pp.
37-43.
Guignard, S., 2010. Histoire de la recherche sur l’enveloppe du
bâtiment : De l’habitat bioclimatique au bâtiment à
énergie positive, rôle de l'ADEME. Direction de la
Recherche/Service Recherche et Technologies Avancées: La
Maison Design Graphique.
Hami, K., Draoui, B. & Hami, O., 2012. The thermal performances
of a solar wall. Energy, Volume 39, pp. 11-16.
Hollmuller, P., Lachal, B., Romerio, F. & Weber, W., 2003.
Habitat, Confort et Energie. p. 76.
Imessad, K. & Belhamel, M., 1999. Evaluation des Performances
d’un Mur Trombe. Rev. Energ. Ren. : Valorisation,
pp. 195-198.
Kim, J. et al., 2017. Establishment of an optimal occupant behavior
considering the energy consumption and indoor
environmental quality by region. Applied Energy, Volume 204, pp.
1431-1443.
Lebens, R. M., 1980. Passive Solar Heating Design. London: Applied
Science.
Lou, C., 2012. Vers une nouvelle méthodologie de conception des
bâtiments basée sur leurs performances
bioclimatiques. Institut National des Sciences Appliquées de Lyon:
Ecole Doctorale Mécanique, Énergétique, Génie
civil, Accoustique.
Öü, G., 2013. Optimization of trombe wall performance using
computational fluid dynamics and building energy
simulation, stanbul Technical University: Department of Energy
Science and Technology..
Opapilles, 2010. Architecture bioclimatique et protections
solaires. [En ligne]
Available at:
http://opapilles.hautetfort.com/archive/2010/10/12/architecture-bioclimatique-et-protections-
[Accès le 16 Mai 2018].
Ormiston, S. J., Raithby, G. D. & Hollands, K. G. T., 1986.
Numerical predictions of natural convection in a Trombe
wall system. Int. J. Hear Mass Transfer. , 29(6), pp.
869-877.
Perry, R. H. & Green, D. W., 2007. Psychrometry, Evaporative
Cooling and Solids Drying. Dans: 8. Edition, éd. Perry's
Chemical Engineers' Handbook. s.l.:McGraw-Hill.
Salem, T., 2007. Intégration des composants solaires thermiques
actifs dans la structure bâtie, Lyon: L’Institut National
des Sciences Appliquées.
Shaoqing, G. et al., 2017. Passive design optimization of
newlybuilt residential buildings in Shanghai for improving
indoor thermal comfort while reducing building energy demand.
Energy and buildings, p. 44.
Shen, J., Lassue, S., Zalewski, L. & Huang, D., 2007. Numerical
study on thermal behavior of classical or composite
Trombe solar walls. Energy and Buildings, Volume 39, p.
962–974.
Shtrakov, S. & Stoilov, A., 2005. New approach for Finite
Difference Method for Thermal Analysis of Passive Solar
Systems. Blagoevgrad, BULGARIA,: Department of Computer’s systems,
South - West University “Neofit Rilski”.
Sobhan, L. N. & Mohammadi, K. M. A., 2016. Priorities for use
of passive and active solar systems in cold climate
buildings. Journal of Fundamental and Applied Sciences, 8(2S), pp.
1985-1997.
Stazi, F., Mastrucci, A. & di Perna, C., 2011. The behaviour of
solar walls in residential buildings with different
insulation.
Energy and Buildings, Volume 47, p. 217–229.
VIIème COLLOQUE : DES SCIENCES, CULTURES ET TECHNOLOGIES | UAC,
2019
| Page 23 |
Tittelein, P., 2012. Environnements de simulation adaptés à l’étude
du comportement énergétique des bâtiments basse
consommation, s.l.: s.n.
Valdiserri, P., Biserni, C., Tosi, G. & Garai, M., 2015.
Retrofit strategies applied to a tertiary building assisted by
Trnsys
energy simulation tool. Energy Procedia, Volume 78, pp.
765-770.
Wei, S., Jie, J., Chenglong, L. & Wei, H., 2011. Performance of
PV-Trombe wall in winter correlated with south facade
design. Applied Energy, Volume 88, p. 224–231.
Wyer, S., 1906. gas-producers, A treatise on producer-gas and. The
Engineering and Mining Journal, p. p23.
Yan, Y. et al., 2017. Investigation on Passive Energy-saving
Technologies of Demonstration Houses in Taohai Pasture.
Energy Procedia, Volume 205, p. 2910–2917.
Zhai , X., Song, Z. & Wang, R. Z., 2011. A review for the
applications of solar chimneys in buildings. Renew Sustain
Energy Rev, Volume 15, p. 3757–3767.
Zhai, Z., 2006. Application of Computational Fluid Dynamics in
Building Design: Aspects and Trends. Indoor and Built
Environment, 15(4), pp. 305-313.
Zhongting, H., Wei, H., Jie, J. & Shengyao, Z., 2016. A review
on the application of Trombe wall system in buildings.
Renewable and Sustainable Energy Reviews, p. 12.
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EN EAU DES CULTURES
[email protected] [email protected] 1
Institut de Formation et de Recherche en Informatique
2 Institut de Mathématiques et de Sciences Physiques
Université d’Abomey-Calavi, Bénin
Résumé L’Agriculture Intelligente face au Climat est une approche
qui permet de définir les mesures nécessaires pour
transformer et réorienter les systèmes agricoles afin de faire face
au changement climatique. L’accès aux ressources
en eau est de plus en plus difficile. Il urge d’utiliser des
techniques d’irrigation automatiques et efficientes. Afin
d’automatiser certains processus agricoles, l’utilisation des
objets connectés s’avère être un atout incontournable. Le
système proposé, basé sur les cartes programmables Arduino Nano,
vise à réduire l’intervention humaine dans le
processus d’irrigation et à favoriser une meilleure gestion de
l’eau. Ce système a été réalisé après une étude des
travaux existants et en prenant en compte son coût financier. Il
est composé de nœuds de collecte et de transmission.
Les premiers se chargent d’envoyer aux seconds, les données
relatives au taux d’humidité du sol. Les nœuds de
transmission à leur tour ordonnent l’ouverture ou la fermeture des
électrovannes. Dans ce système, le réseau LoRa
est très important. Il est utilisé pour l’envoi des données des
nœuds de collecte aux nœuds de transmission. Les nœuds
de transmission utilisent le réseau GPRS pour rendre accessible les
informations d’irrigation sur Internet. Le système
proposé permet une signalisation en temps réel du taux d’humidité
au sol par message et une ouverture automatique
des vannes lorsque ce taux est critique. Il réduit ainsi
l’intervention humaine dans le processus d’irrigation et
permet
une gestion efficiente des ressources en eau. Notre prototype est
prévu pour être expérimenté au laboratoire de GBioS
de la Faculté des Sciences Agronomiques de l’Université
d’Abomey-Calavi au Bénin.
Mots-clés : Objets connectés - agriculture intelligente -
irrigation automatisée - réseau LoRa - Arduino Nano.
1. Introduction
Le secteur agricole est un secteur très sensible au climat. En
raison des aléas climatiques et de l’avancée de
la sécheresse, les agriculteurs peinent à satisfaire les besoins en
eau de leurs cultures. Pour faire face à cette situation,
ils adoptent des systèmes d’irrigation qui leurs permettent de
nourrir leurs cultures. En 2017, selon une étude de la
Banque Mondiale, 70% des ressources en eau de la terre sont
utilisés pour l’irrigation. Ce taux va s’accroître les
années à venir en raison de la croissance démographique, de
l’urbanisation, de l’industrialisation et du changement
climatique.
La vulgarisation des objets connectés a mené de nombreux chercheurs
à s’intéresser à l’utilité des objets
connectés en agriculture. Sur 60 publications portant sur l’usage
des objets connectés en Agriculture entre 2016 et
2018, la gestion des ressources en eau est largement en avant avec
pourcentage de 28.08% suivi de la gestion des
cultures avec un pourcentage en dessous de 15% [1]. La plupart de
ces études tiennent compte majoritairement de
trois facteurs à savoir : la température ambiante, l’humidité
ambiante et l’humidité au sol [1]. La décision d’irrigation
est
prise après la collecte et analyse de ces données à l’aide de
capteurs dédiés.
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Shilpa A. propose une architecture pour un système automatique pour
l’irrigation goutte à goutte dans l’article
[2]. Cette architecture prend en compte la température et
l’humidité du champ, l’humidité au sol, la valeur du Ph dans
le sol et la pluviométrie.
FIGURE 1 – Architecture proposée par Shilpa A.
La Figure 1 présente l’architecture proposée. Elle est basée sur
une carte programmable Wemos D1 ESP
8266. C’est une carte programmable Arduino dotée d’un module Wi-Fi
pour la réception et la transmission des données
par Internet. A cette carte sont reliés un capteur d’humidité au
sol, un capteur d’humidité, un capteur de température,
un capteur de pluie, un capteur de Ph dans le sol, une pompe, et un
écran LCD. Toutes les 30 minutes, la carte collecte
les données au niveau de chaque capteur. Ces données sont affichées
sur l’écran connecté à la carte et en même
temps enregistrées sur un serveur distant. Les données liées à
l’humidité au sol et la pluie sont utilisées pour
déclencher l’irrigation ou non. Lorsque le taux d’humidité au sol
atteint un seuil critique, la carte analyse la donnée liée
à la pluviométrie. S’il pleut la pompe restera fermée. Sinon la
carte déclenchera l’ouverture de la pompe pendant une
durée donnée.
Dans cette architecture, seuls la pluviométrie et le taux
d’humidité au sol sont utilisés pour contrôler l’irrigation.
Les autres capteurs auraient donc pu être laissés afin d’alléger le
système et de réduire sa consommation énergétique.
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R.Vagulabranan et al. ont proposé dans l’article [3] un système
d’irrigation automatique basé sur les capteurs
d’humidité au sol. L’objectif est de réduire l’intervention humaine
dans le processus d’irrigation et d’effectuer une
irrigation quand l’humidité au sol est critique.
FIGURE 2 – Architecture proposée par R.Vagulabranan et al.
La Figure 2 présente l’architecture proposée. Elle est basée sur
une carte programmable qui est reliée à un
capteur d’humidité et de température, un capteur d’humidité au sol
et une pompe. La carte est programmée pour
déclencher l’ouverture de la pompe lorsque le taux d’humidité au
sol atteint un niveau critique. Elle dispose d’un module
Ethernet pour la transmission des données par Internet. Cela
permettra la transmission des données sur un serveur
distant, afin de permettre au propriétaire du champ d’y accéder à
partir d’un smartphone ou d’un ordinateur.
Dans l’architecture proposée dans les articles [2] et [3], les
cartes programmables sont directement reliées à
la pompe et au capteur d’humidité au sol. Le fait de relier ces
deux équipements à la même carte est problématique
lorsque le champ à une grande superficie et que la pompe se
retrouve à une distance importante des cultures à arroser.
Il est souvent rare d’avoir les pompes proches des cultures. Il
serait idéal de séparer ces deux équipements de la
même carte programmable. Chacun d’eux sera relié à une carte
programmable. Ces cartes seront équipées d’un
module de communication, pour la transmission des données entre
elles à distance.
Sahu C. K. et Behera P. dans l’article [4] ont présenté un système
de contrôle d’irrigation automatique à
moindre coût. L’objectif visé en réalisant ce travail est
d’automatiser l’irrigation tout en réduisant la consommation
en
énergie et en eau.
| Page 27 |
FIGURE 3 – Architecture proposée par Sahu C. K. et Behera P.
La Figure 3 présente les différents équipements qui composent leur
système et les liaisons. Leur système est
composé d’une carte programmable Arduino Uno et d’une carte
programmable Raspberry-Pi. Toutes les cinq (05)
minutes, l’Arduino Uno lit la donnée collectée par le capteur
d’humidité au sol. Une fois cette donnée lue, l’Arduino la
transmet à la carte programmable Raspberry-Pi via un réseau Wi-Fi.
Cette dernière est reliée à une vanne
électromagnétique dont elle commandera l’ouverture et la fermeture
en fonction de la donnée reçue. Un message est
automatiquement envoyé par mail et par message au propriétaire du
champ.
Les modules de communication via le réseau Wi-Fi permettent une
transmission rapide des données sur une
courte distance. Ils nécessitent une bonne source d’énergie
électrique pour fonctionner. A défaut d’utiliser le réseau
Wi-Fi pour la communication entre les deux cartes programmables, la
communication par radio fréquence serait une
meilleure alternative. Cela permettra de réduire la consommation
énergétique engendrée au niveau des cartes
programmables par l’utilisation des modules Wi-Fi.
Sur la base de l’analyse faite des architectures proposées dans les
articles [2], [3] et [4], nous proposons
l’architecture de la Figure 4. Elle est composée de deux principaux
dispositifs : le nœud de collecte et le nœud de
transmission.
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Le nœud de collecte est un dispositif qui collecte les données
liées à l’humidité liée au sol et le transmet au
nœud de transmission. Il est placé au pied de la plante. Il est
composé d’un capteur d’humidité au sol qui lui permet
de connaitre la quantité d’eau q disponible au sol. Le niveau d’eau
au sol est lu par la carte Arduino à une fréquence
donnée. Nous avons défini par k, le seuil à partir duquel le signal
d’irrigation est envoyé au nœud de transmission. Il
est supérieur au seuil critique p, en deçà de laquelle la plante ne
peut vaincre la tension capillaire de l’eau (k > p).
Ainsi, le seuil critique p ne sera jamais atteint avant un
arrosage.
La valeur de k est fonction de chaque plante et du type de sol.
Tant que q > k, la led jaune de ce dispositif
reste éteinte. Dès que q = k, la led jaune se met à clignoter au
niveau du nœud de collecte pour signifier que la plante
a besoin d’eau. Un signal est automatiquement envoyé, via le réseau
LoRa, au nœud de transmission.
FIGURE 5 – Architecture du nœud de collecte
Dès la réception de ce signal par le nœud de transmission, il met
en marche l’électrovanne et une led jaune
se met à clignoter, signifiant qu’une irrigation est en cours. Une
donnée est directement transmise au serveur distant
de notre système pour permettre d’avoir un historique plus tard.
Après un temps prédéfini au niveau de ce dernier,
l’électrovanne se ferme et la led jaune s’éteint.
FIGURE 6 – Architecture du nœud de transmission
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2019
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2. Matériels et méthodes
Dans le cadre de cette étude, le choix des matériels a été fait en
fonction des prix, de la qualité et de la
disponibilité des matériels sur le territoire. Le coût du système
proposé est un critère capital pour favoriser son adoption.
Pour ce, le choix des différents matériels a été fait suivant : le
coût, la consommation en énergie électrique, la qualité
et la disponibilité.
2.1. Arduino nano
Arduino nano est une carte programmable basé sur le microcontrôleur
ATmega 328. Il fait partir des cartes
programmables de bonne qualité et qui sont accessibles à tous sur
le marché à bas prix. Il est très utile dans nous
système pour l’automatisation du système d’irrigation. Chaque
dispositif de notre système est doté de cette carte.
FIGURE 7 – Arduino Nano v3.13
Au niveau du nœud de collecte, il se charge de lire périodiquement,
la valeur du capteur d’humidité au sol. Si
cette valeur atteint un niveau critique, il se charge d’envoyer un
message au nœud de transmission. Tandis qu’au
niveau du nœud de transmission, le rôle principal de la carte est
de déclencher l’ouverture et la fermeture des
électrovannes.
Plusieurs cartes Arduino existent et se différencient par la
taille, le nombre d’interfaces et le coût. Dans le
cadre de notre étude, nous avons opté pour l’usage de cartes
programmables de petites tailles, moins chères et
accessibles sur le marché. Ce qui nous a poussé au choix de
l’Arduino Nano.
2.2. Capteur d’humidité au sol
Un capteur d’humidité au sol est un capteur conçu pour la détection
du niveau d’eau au sol. Il peut être
analogique ou digital. Dans le cadre de cette étude, le capteur
d’humidité utilisé est le YL-69. C’est un capteur que l’on
peut retrouver chez la plupart des vendeurs de composantes
électroniques. C’est un capteur qui nécessite une certaine
attention lors de son utilisation.
3 Amazon,
https://www.amazon.fr/ATMEGA328P-chargeur-démarrage-compatible-contrôleur/dp/
B07KTVQ651/ref=sr_1_23?keywords=arduino+nano+v3&qid=1563044050&s=gateway&sr=8-23,
consulté la dernière fois le 30/07/2019
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FIGURE 8 – Capteur d’humidité au sol YL-694
Dans le cadre de cette étude, on ne l’alimente que pour la lecture
du taux d’humidité au sol. Cela permet de
prolonger sa durée de vie et de réduire la consommation énergétique
du nœud de collecte.
2.3. Module LoRa sx1278
LoRa, Long Range (longue portée), est un réseau développé par
Semtech qui permet des communications
sans fil longue distance. C’est une technologie radio économique,
puissante et ouverte. Contrairement aux autres
réseaux, le réseau LoRa est conçu de manière à consommer le moins
d’énergie possible.
Ainsi, un dispositif équipé du module LoRa, et fonctionnant sous
batterie, peut atteindre une autonomie de
l’ordre de plusieurs années. Il permet de transmettre des données
sur une longue distance. Il s’agit du réseau le plus
utilisé, dans le cadre d’un projet visant à transmettre des données
de petites tailles, sur une longue portée avec une
faible consommation [5]. Sa particularité est qu’il peut être
développé en réseau privé. On n’a donc pas besoin de faire
un abonnement chez un opérateur ou d’avoir une carte SIM pour
transmettre des données entre nos dispositifs. Il faut
juste qu’ils soient équipés du module de transmission LoRa.
La communication entre nos dispositifs est capitale pour le bon
fonctionnement de notre système. Elle doit se
faire en temps réel avec une faible consommation en énergie
électrique, pour permettre à ce que nos batteries puissent
alimenter nos dispositifs aussi longtemps que possible. C’est la
raison pour laquelle, nous avons utilisé ce réseau pour
la communication entre nos dispositifs.
FIGURE 9 – Module LoRa sx12785
4 Youpilab, https://youpilab.com/products/show/CA-000006/7009,
consulté la dernière fois le 30/07/2019 5 Amazon,
https://www.amazon.fr/SX1278-Spectrum-Inalámbrico-Interface-TE774/dp/B074N1KGBQ,
consulté la dernière fois le 30/07/2019
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Il existe différents modules de transmission via le Réseau LoRa
pour Arduino. Le paramétrage de ces modules
se fait via la carte Arduino à l’aide des librairies appropriées.
Nous avons opté pour le module LoRa sx1278 pour sa
petite taille, sa qualité, son coût et surtout parce qu’il peut
être utilisé comme client et serveur. Il permet une
transmission avec une fréquence de 433 MHz. En utilisant ce module,
le nœud de collecte transmet les informations
liées à l’humidité du sol au nœud de transmission qui se charge
d’actionner l’électrovanne au besoin.
2.4. Module GSM/GPRS Sim800L
L’un des objectifs que nous visons en réalisant ce projet est de
permettre aux propriétaires de champs, d’être
informés sur les différentes heures d’irrigation de ses cultures.
Peu importe le lieu où se trouve l’agriculteur, il pourra
être informé et s’informer à l’aide de son téléphone portable ou de
son ordinateur depuis une plateforme web. L’usage
d’un réseau de communication est donc nécessaire pour rendre
accessibles les données collectées.
Le module GSM/GPRS permet à un système de communiquer via le réseau
GSM/GPRS. Il fonctionne avec
une carte SIM et doit être utilisé dans une zone couverte par
l’opérateur de la carte SIM. A l’aide de ce module, un
système peut émettre un appel, envoyer un message et même accéder à
Internet.
FIGURE 10 – Module GSM/GPRS6
Dans notre étude, nous avions opté pour ce module pour la
transmission des données collectées vers le
serveur distant de données. Au cas où la connexion Internet ne
passerait pas, un message est transmis directement
au propriétaire du champ en question. Afin de conserver l’énergie,
nous avons programmé le module de manière à ce
qu’il ne sorte du mode veille que pour transmettre des
données.
3. Résultats
Les architectures proposées pour les différents nœuds, nous ont
permis de réaliser les montages
correspondants à l’aide de l’application Fritzing7.
6 Youpilab, https://youpilab.com/products/show/CA-000001/7089,
consulté la dernière fois le 30/07/2019 7 Fritzing est une
application de conception graphique des circuits
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FIGURE 11 – Montage du nœud de collecte
La Figure 11 est le montage réalisé en suivant l’architecture de la
Figure 5. Ce dispositif est mis dans une
zone d’un champ pour collecter les données relatives à l’humidité
au sol. Le capteur d’humidité est inséré au sol et les
autres composantes sont regroupées dans un boîtier étanche pour
qu’elles ne soient pas en contact avec l’eau.
FIGURE 12 – Montage du nœud de transmission
La Figure 12 est le montage fait en suivant l’architecture de la
Figure 6. Ce dispositif se charge de déclencher
l’ouverture et la fermeture des vannes. Dans ce montage, nous
n’avons pas intégré les électrovannes. Les
électrovannes seront reliées à ce dispositif par l’un des ports
restants sur la carte programmable.
Compte tenu des matériels et méthodes utilisés, le besoin en
énergie électrique de nos différents nœuds est
minime. A l’aide d’une pile plate de 9V, ces nœuds fonctionnent et
jouent pleinement leur rôle. Le prototype réalisé est
prévu pour être expérimenté au laboratoire de GBioS de la Faculté
des Sciences Agronomiques de l’Université
d’Abomey-Calavi.
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4. Conclusion
Le prototype proposé et présenté dans ce document est basé sur les
cartes programmables Arduino Nano. Il
a été réalisé pour automatiser les systèmes d’irrigation et
garantir une gestion efficiente des ressources en eau. En
collectant le taux d’humidité du sol à l’aide d’un capteur
d’humidité du sol, l’irrigation est déclenchée
automatiquement,
pour fournir à la culture la quantité d’eau dont elle a besoin. Les
différents nœuds du prototype ont été dimensionnés
pour garantir une faible consommation en énergie électrique. Les
matériels qui les composent sont de bonne qualité,
de faible coût et ont une faible consommation en énergie
électrique. En particulier, le module LoRa, qui est réputé
pour
sa faible consommation en énergie électrique, est utilisé pour la
transmission des données entre les deux nœuds via
le réseau LoRa.
Références
[1] A. A Raneesha Madushanki, Malka N Halgamuge, W. A. H. Surangi
Wirasagoda & Ali Syed, "Adoption of the
Internet of Things (IoT) in Agriculture and Smart Farming towards
Urban Greening : A Review" International
Journal of Advanced Computer Science and Applications(IJACSA),
10(4), 2019.
http://dx.doi.org/10.14569/IJACSA.2019.0100402.
[2] Shilpa A., "Smart Drip Irrigation System" Published in
International Journal of Trend in Scientific Research and
Development (ijtsrd), ISSN : 2456-6470, Volume-2 | Issue-4, June
2018, pp.1560-1565,
https://www.ijtsrd.com/papers/ijtsrd12888.pdf.
[3] Vagulabranan R., Karthikeyan M., & Sasikala V. (2016),
"Automatic irrigation system on sensing soil moisture
content", International Research Journal of Engineering and
Technology (IRJET), 3(03), 206-208.
[4] Sahu C. K., & Behera P. (2015, February), "A low cost smart
irrigation control system", In 2015 2nd
International conference on electronics and communication systems
(ICECS) (pp. 1146-1152). IEEE.
[5] Wifx, "Technologie LoRa", https://www.wifx.net/lora.php,
consulté la dernière fois le 17/07/2019.
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EFFET DE L’EXTRAIT AQUEUX DU MÉLANGE DE CISSUS POPULNEA ET MUSA
PARADISIACA
SUR LA SPERMATOGENÈSE : IMPORTANCE DE LA PRODUCTION DE
L’INTERLEUKINE-6 PAR LES
CELLULES DE SERTOLI
Eugénie A. A. ANAGO1, Jean Robert B. KLOTOE1, Cédric B.O. ADDA1,
Gisèle J. EGOUNLETY-TOUDONOU2
1 Laboratoire de Recherche en Biologie Appliquée (LARBA), Ecole
Polytechnique d’Abomey-Calavi, Université
d’Abomey-Calavi, B.P. 2009 Cotonou, Bénin. 2 Centre de recherche et
soins en médecine traditionnelle homéopathie et accompagnement
spirituelle « Sêyon ».
Archevêché de Cotonou, Bénin.
Cédric B.O. ADDA :
[email protected] (Auteur correspondant)
Gisèle J. EGOUNLETY- TOUDONOU :
[email protected]
Résumé
La stérilité masculine constitue un véritable problème de santé
publique. Parmi les causes d'infertilité, on note
l'oligospermie qui occupe une place importante, représentant 40%.
Pour le traitement des troubles de la fertilité
masculine, le centre "Sêyon" utilise un produit nommé "Edjo"
constitué d'une association des racines de Cissus
populnea et du fruit Musa paradisiaca. La présente étude
prospective s'est donnée pour objectif général d'évaluer
l'effet du produit "Edjo" sur la spermatogenèse chez le rat albinos
de souche Wistar.
Trois lots de six rats mâles pubères âgés de 5 à 8 semaines
d'environ 180 g ont été respectivement traités avec 500
mg/ml/kg d'"Edjo", le produit de référence FertiloR à 500 mg/ml/kg
et de l'eau distillée pendant 30 jours. Le screening
phytochimique a été réalisé sur l'extrait aqueux d'''Edjo' afin de
mettre en évidence les grands groupes de composés
chimiques. La numération des spermatozoïdes a été réalisée sur le
broyat épididymaire. Le dosage de l'interleukine 6
et la toxicité chronique ont été réalisés sur le sérum de
rat.
L'extrait "Edjo" contient deux composés phytochimiques capables de
stimuler la spermatogenèse à savoir les tanins
et flavones. Un traitement de 30 jours par gavage à une dose de 500
mg/ml/kg avec "Edjo" permet une augmentation
de la concentration des spermatozoïdes chez les rats Wistar sains
sans présenter de toxicité larvaire chronique ni
tissulaire. L'analyse des coupes histologiques des testicules de
rats suggère que ce phytomédicament accentue
l'activité des cellules de Sertoli dans le processus de spermiation
au cours de la spermatogenèse. Cela a été mis en
évidence par le dosage de l'interleukine 6.
Le phytomédicament d'étude améliore les paramètres spermatiques en
stimulant la spermatogenèse.
Mots clés : Cissus populnea, Musa paradisiaca, extrait aqueux,
spermatogenèse, interleukine 6, rat Wistar.
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Abstract
Male infertility is a real public health problem. Among the causes
of infertility, there is the oligospermia which
occupies an important place, representing 40%. For the treatment of
male fertility disorders, the "Sêyon" center uses
a product called "Edjo" consisting of a combination of Cissus
populnea roots and Musa paradisiaca fruit. The present
prospective study has the general objective of evaluating the
effect of the product "Edjo" on spermatogenesis in albino
rats of Wistar strain.
Three batches of six 5- to 8-week old pubescent male rats of
approximately 180 g were respectively treated
with 500 mg / ml / kg of "Edjo", the 500 mg / ml / kg FertiloR
reference product and 100 mg / ml / kg. distilled water for
30 days. Phytochemical screening was carried out on the aqueous
extract of 'Edjo' in order to highlight the large groups
of chemical compounds. The spermatozoa count was performed on the
epididymal mash. Interleukin 6 ass