Étude des comportements thermique et hydrique de caves à vin réfrigérées en vue de l’optimisation des systèmes de régulation de leurs conditions climatiques internes

Experimental study and modelling of the hygro-thermal fluxes in refrigerated cellars toward the optimization of systems of control of their internal climatic conditions

• Auteur / Autrice : Sébastien Bussonnière
• Direction : Jocelyn Bonjour, Valérie Sartre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Thermique
• Date : Soutenance le 21/04/2020
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CETHIL - Centre d'Energétique et de Thermique de Lyon (Villeurbanne, Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Michel Havet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jocelyn Bonjour, Valérie Sartre, Michel Havet, Onrawee Laguerre, Assaad Zoughaib, Régis Gougeon, Jean Moureh
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Onrawee Laguerre, Assaad Zoughaib

Mots clés

Mots clés contrôlés

Caves à vin

Humidité

Température -- Régulation

Mots clés libres

Thermique

Energétique

Enceinte réfrigérée

Air humide

Régulation de la température

Comportement thermique

Comportement hydrique

Régulation humidité

Consommation énergétique

Modélisation nodale

Consommation énergie

Thermics

Energetics

Refrigerated cabinet

Humid air

Thermal regulation

Thermal Behaviour

Humidity exchanges

Humidity regulation

Energy consumption

Nodal Modelling

Energy consumption

Résumé

Répondant à une urbanisation grandissante, les caves à vin réfrigérées permettent de conserver et faire vieillir du vin en appartement. Elles permettent idéalement de garantir les conditions idéales de stockage des bouteilles, notamment en termes de température (12°C) et d'humidité relative de l’air (70%). En vue d'améliorer la régulation de la température et de l’humidité dans les caves réfrigérées, ce travail de thèse propose de caractériser et de modéliser les différents échanges thermiques et hydriques se produisant dans une telle enceinte. Leur compréhension est de plus utile pour réduire la consommation énergétique de ces systèmes. Pour répondre aux contraintes industrielles définies au début de la thèse, un système de gestion de température et d’humidité a été développé et commercialisé après une analyse de systèmes présents sur le marché. Cette solution permet une meilleure homogénéité du champ de température tout en rendant la cave à vin réfrigérée hydriquement autonome. Ensuite, à partir de résultats expérimentaux obtenus lors d'essais de plusieurs caves à vin opérant dans différentes conditions climatiques, un modèle nodal de simulation des échanges thermo-aérauliques au sein d’une enceinte réfrigérée, ventilée et chargée en bouteilles a été développé. Ce modèle, de nature dynamique pour inclure la réponse aux cycles marche-arrêt du système frigorifique, permet entre autres la prédiction du champ de température dans l’enceinte. Il a ensuite été enrichi en incluant les différents échanges hydriques au sein du coffre et par infiltration depuis l’extérieur, pour prédire l’humidité interne de la cave ainsi que le débit de condensats évacué vers l’extérieur. Les résultats de simulations numériques ont permis d'identifier les principaux facteurs d'influence sur le comportement hydrique de la cave, mais aussi d'étudier la sensibilité de la consommation d'énergie aux conditions climatiques pour conclure quant à la pertinence de diverses pistes d’optimisation énergétique du système.

Refrigerated cellars allow to conserve and age wine in apartments. They were introduced 40 years ago to meet the increasing urbanization. These cellars have progressively evolved apart from common household refrigerators. The conditions of conservation of wine indeed differ from those controlled in a refrigerator: the ideal temperature is around 12 °C, and the relative humidity should remain close to 70 %. As known from wine lovers, the control of these parameters, as well as vibrations and exposition to light, affect the wine ageing: all these factors are the main issues addressed by cellar manufacturers. As a result, modern cellars differ from usual refrigerators by their more accurate temperature control, by their esthetical appearance as well as their specific features dedicated to optimum wine aging. The aim of the present PhD thesis is to characterize and model humidity and heat exchanges taking place in such cellars, so as to improve the systems of control of their internal climatic conditions. Moreover, a better understanding of the heat flux distribution will also help comply with the increasingly restrictive power-consumption standards. To meet industrial specifications, as defined at the beginning of the thesis, a temperature and humidity management system was developed and marketed. It is based on a thoughtful analysis of the existing systems. This solution allows a better homogenization of the temperature field while making cellars independent from humidity variations. A second part of this thesis is dedicated to the measurement and the modelling of the temperature and humidity fields of different cellars under various external climatic conditions. Based on the experimental results, a nodal model of the heat exchanges and air flows in a ventilated and refrigerated cellar loaded with bottles was developed. The model is of dynamic nature to take into account the on-off cycles of the cooling unit. It allows to predict the inner temperature field from the intrinsic parameters of the flow and of the cellar. The model was then extended incorporating external and internal humidity exchanges to predict the humidity of air in the cellar as well as the flow rate of evacuated condensate. The results allowed to highlight the main factors affecting the humidity exchanges, among others at a first rank the quality of the door gasket. Finally, the sensitivity of the power and energy consumption of the cellar to the external climate conditions was explored, which was the basis for suggesting new ways of improvement.