Thermodynamique - Cas de la coupe du monde de football au Qatar

Thèmes abordés

Coupe du Monde, Qatar, climatisation, stades ouverts, impact énergétique, cycle thermodynamique, dimensionnement, simulation, énergie, environnement, refroidissement, thermodynamique, efficacité énergétique, Sciences - Ingénierie - Industrie, besoins en énergie, flux, formule, système, algorithme RhoCentral, spectateurs, stade, Infrastructures, froid, géométrie, trigonométrie, coefficient de performance, puissance électrique, puissance frigorifique, variation de température, enthalpie, étude de cas, consommation d'énergie

Résumé du document

La récente coupe du monde de football organisée au Qatar a fait polémique lors de sa préparation et de son déroulement, causant son boycott par une partie de la population. En effet, au-delà des implications humaines et morales du projet, des critiques sur le système de climatisation des stades ouverts et de leur impact énergétique et écologique se sont fait entendre à l'approche de l'événement, le Qatar étant un pays au climat chaud et sec grâce à sa nature désertique. Par conséquent, l'exercice de refroidir les gigantesques stades ouverts construits pour l'occasion apparait comme énergivore et vaniteux, bien que nécessaire au bon déroulement de l'événement. Dans ce bureau d'étude, nous chercherons à donner une réponse quantitative à cette polémique par le biais d'un exercice de dimensionnement d'unité de climatisation à l'échelle d'un stade qatari.

Pour ce faire, nous chercherons dans un premier temps à analyser le problème et les contraintes de notre étude, avant de chercher une solution de climatisation par le biais d'analyse de la solution réelle, de mise au point du cycle thermodynamique utile au refroidissement, de dimensionnement et de simulation, et enfin, nous pourrons commenter l'aspect énergétique et conclure.

Cette étude n'étant pas entièrement calquée sur la solution réellement utilisée dans les stades qataris, elle se veut être uniquement une approche utile à la compréhension du problème et non la présentation exacte de ces systèmes de refroidissement (notamment compte tenu de la confidentialité du projet).

Extraits

[...] Nous chercherons donc dans cette partie à simuler les mouvements d'air dans un modèle 3D du stade pour étudier la température de rentrée de l'air et le débit, ainsi que la température de sortie optimale de l'air. Méthode : Pour ce faire, on décide de modéliser une tranche en 2D du stade dans laquelle on simulera les flux, une modélisation 3D complète étant simplement trop complexe pour le matériel de calcul dont nous disposons actuellement. Pour cela, on se basera sur des plans en coupe du bâtiment qu'on viendra extruder et placer en dimension 1:1 : Figure 11 : Illustration du processus de modélisation sur Blender Pour ce type de simulation CFD, on s'appuiera sur les algorithmes de simulation de OpenFoam par le biais de SimFlow, un équivalent à Fluent de la suite Ansys. [...]

[...] Thermal comfort investigation of an outdoor air- conditioned area in a hot and arid environ- ment ; Saud Ghani, Esmail M. Bialy, Foteini Bakochristou, Seifelislam Mahmoud Ahmad Gamaledin, Mohammed Mohammed Rashwan and Ben Hughes ; March 25th A review of sustainable cooling technologies in buildings ; Ben Richard Hughes, Hassam Nasarullah Chaudhrya, Saud Abdul Ghani ; May 11th Assessment of thermal comfort indices in an open air-conditioned stadium in hot and arid environment ; Saud Ghani, Ahmed Osama Mahgoub, Foteini Bakochristou, Esmail A. [...]

[...] Cela évite ainsi l'entrée de courant d'air chaud depuis l'extérieur du stade par l'ouverture au niveau du toit. Cela simplifie grandement le dimensionnement, les transferts thermiques au sein du stade étant alors régis par les phénomènes de dissipation thermique en régime stationnaire. Figure 1 : Géométrie d'Al Janoub et son effet sur les courants d'air extérieurs Solution de refroidissement Analyse de la solution réelle Structure de la solution Comme nous l'avons évoqué précédemment, notre objectif n'est pas de fournir un système de refroidissement capable de refroidir l'intégralité du volume du stade, ce qui impliquerait des pertes énergétiques gigantesques, nocives pour l'environnement et beaucoup trop onéreuses. [...]

[...] Le premier principe appliqué au fluide traversant la pompe nous donne : De plus : h9,is - h9 = (Ph - Pb)/ρsol On obtient pour la variation d'enthalpie pour le fluide traversant la pompe : Donc : La variation de température est de l'ordre de 0.07°C, elle sera négligée par la suite. Différentes grandeurs sont donc à connaître afin pour étudier le système : - les pressions et températures des différents modules sont définies de façon à obtenir la pression en vapeur saturante. Par les tables de l'eau en connaissant les pressions, on obtient : T2 = 34°C, T4 = 2°C - pour les titres massiques en eau des solutions riches et pauvres, on utilise le diagramme d'Oldham. [...]

[...] En effet, la puissance électrique est très faible devant les autres puissances citées ( ce qui est dû à la différence de pression relativement faible). On calcule donc ces deux puissances : Enfin on obtient l'expression du coefficient de performance : L'application numérique donne COP = 0.77, c'est le coefficient de performance de notre ma- chine thermique. Pour simplifier l'étude, le lien entre la machine réfrigérante et l'air expulsé, est modélisée par un échangeur à contre-courant représenté ci-dessous: On procède alors à deux bilans enthalpiques : Donc : On se servira de cette relation pour relier le débit d'air et ses températures d'entrée et de sortie aux différents débits dans la partie suivante. [...]