Étude expérimentale et numérique du comportement thermique de matériaux à changement de phase : intégration dans un composant solaire passif pour l'habitat

par Zohir Younsi

Thèse de doctorat en Science pour l'ingénieur. Génie civil

Sous la direction de Stéphane Lassue.

Soutenue en 2008

à l'Artois .

mots clés

• Matériaux -- Propriétés thermiques -- Thèses et écrits académiques
• Conservation de l'énergie -- Thèses et écrits académiques
• Transitions de phases -- Matériaux -- Thèses et écrits académiques

Résumé

Ce travail s'inscrit dans le contexte du bâtiment à haute efficacité énergétique, celui du stockage d'énergie en général et celui de la caractérisation thermophysique des matériaux à changement de phase (MCP) en particulier. Le mur étudié est un mur solaire composite intégrant un MCP. Ce dernier est conditionné dans une enveloppe parallélépipédique en polyoléfine. Avant d’intégrer ce matériau dans ce type de mur, une étude préalable et une caractérisation thermophysique est nécessaire. Pour cela un dispositif expérimental a été conçu. La méthode de caractérisation est basée sur la mesure des flux associé à la mesure de température. Elle permet de déterminer la quantité de chaleur stockée/déstockée par le matériau, la chaleur latente de fusion, les capacités calorifiques et les conductivités thermiques. L’influence de la surfusion du MCP sur le déstockage thermique du matériau a été démontrée. Un code de calcul pour la résolution de problèmes de transfert thermique avec changement de phase a été élaboré avec la méthode enthalpique en 1D et 2D. Une simulation du transfert thermique du MCP27 à l'aide du code commercial Fluent a été entreprise. Ainsi, ont été données des informations sur les échanges thermiques à la paroi de la briquette ainsi que sur la cinétique de changement de phase et la position du front de fusion. Ensuite, une étude expérimentale sur le mur solaire intégrant les MCP a été effectuée. Les résultats sont prometteurs. L’utilisation des MCP a permis de concevoir une enveloppe légère, facilement intégrable, ayant une grande capacité de stockage et une forte inertie.

Titre traduit

Experimental and numerical study of the thermal behavior of phase change materials : Integration in a passive solar component for housing

Résumé

This work is related to the context of building with high energy efficiency, energy storage in general and thermophysical characterization of materials with phase change (PCM) in particular. The studied wall is a composite solar wall integrating a PCM. This last is conditioned in a parallelepipedic polyolefin envelope. Before integrating this material in this type of wall, a preliminary study and a thermophysical characterization of material was necessary, so, an experimental device was designed. The method of characterization is based on the measure of associated flow with temperature field. It allows getting the quantity of stocking and destocking heat by the material, the latent heat of fusion, the thermal heat-storage capacities and conductivities. The influence of overmelting of the MCP on the thermal destocking of the material has been illustrated. A computer code for the resolution of heat transfer problem with phase change was developed with enthalpy method in 1D and 2D. A thermal transfer simulation of the MCP27 was realized with the commercial code Fluent. Thus, information on heat exchanges on briquette wall, the kinetic of phase change and the position melting front were obtained. Afterwards, an experimental study on the solar wall integrating the PCM was carried out. The results obtained are promising. The use of the PCM permits to design a light envelope, easily incorporated, having a high storage capacity and a strong inertia.