Effet de l'incorporation de plusieurs familles de MCP dans une matrice gypseuse sur le confort thermique de l'habitat : Investigations expérimentales et numériques

Effect of the incorporation of several families of PCM in a gypsum matrix on the thermal comfort of the habitat : Experimental and numerical investigations

• Auteur / Autrice : Marwa El Yassi
• Direction : Yannick Melinge
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil - Cergy
• Date : Soutenance le 21/12/2022
• Etablissement(s) : CY Cergy Paris Université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie (Cergy-Pontoise, Val d'Oise)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : L2MGC - Laboratoire de mécanique et matériaux du génie civil
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yannick Melinge, Florence Collet-Foucault, Jean Castaing-Lasvignottes, Frédérik Kuznik, Stéphane Ginestet, Ikram Darcherif, Alexandre Pierre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Florence Collet-Foucault, Jean Castaing-Lasvignottes

Mots clés

Mots clés libres

Matériaux à changement de phase

Confort thermique

Bâtiment

Stockage d'énergie thermique

Phase change materials

Thermal comfort

Building

Thermal energy storage

Résumé

Dans le contexte actuel de l'amélioration de la performance thermique des bâtiments, ce travail de recherche s'inscrit dans trois objectifs de développement durable (ODD) énoncés par l'ONU dans son agenda 2030 : Innovation et infrastructure, villes et communautés durables ainsi que la lutte contre le changement climatique.Cette thèse s'appuie sur la volonté d'apporter une analyse sur une solution innovante à intégrer dans la structure du bâtiment pour une économie d'énergie dans l'existant. Dans une optique d'amélioration en inertie et confort thermique en période estivale, les matériaux à changement de phase sont utiles dans un système passif.Les travaux sont initiés par le choix de plusieurs types de matériaux à changement de phase présents dans la littérature et le développement de protocoles de caractérisation thermique se produisant dans un intervalle de température de confort pour l'habitat. L'étude proposée passe par l'inclusion de trois matériaux à changement de phase dans le plâtre avec différents dosages massiques de ces matériaux rapportés à la masse de la matrice liante.La démarche est de caractériser dans un premier temps, les différents MCP avant et après inclusion dans le plâtre, dans le but de soulever le potentiel que peut apporter l'ajout de ces MCP sur les propriétés thermo-physiques du mélange. L'évaluation des performances thermiques des mélanges se base sur des mesures expérimentales.Dans un second temps, les données expérimentales sont exploitées pour une modélisation (CFD) développée sur Ansys Fluent via la méthode des volumes finis (MVF). Suite à une validation du modèle choisi, l'étude du comportement thermique pour le cas d'une paroi est effectuée pour tous les mélanges Plâtre/MCP. Ces études numériques ont permis de mener une comparaison de la réponse thermique d'une paroi avec et sans MCP, en variant le type d'intégration (directe, imprégnation et micro-encapsulation), de transition (solide-liquide et solide-solide), et la teneur en MCP.Les résultats expérimentaux obtenus ont permis de souligner un apport en stockage d'énergie thermique que peuvent apporter les MCP dans le plâtre, qui évolue avec la teneur en MCP, une augmentation de la capacité thermique massique qui atteint 42% pour les mélanges Plâtre/MCP et une amélioration du caractère isolant avec une réduction de la conductivité thermique jusqu'à 48% en comparaison avec le plâtre de référence.Les études numériques ont présenté une possibilité d'atténuer et optimiser les températures intérieures d'une paroi avec MCP soumise à des conditions de type convection naturelle, et qui s'amplifie avec l'augmentation de la teneur en MCP. Une attention particulière a été apportée à la bonne combinaison entre les propriétés thermiques et physiques du composite pour un résultat significatif.Pour pallier les problèmes d'endommagement des MCP micro-encapsulés dans la matrice, induits par le processus du malaxage conventionnel, l'impression 3D par liaison sélective a été adoptée pour l'étude de la faisabilité des échantillons à base de Plâtre et MCP micro-encapsulés. Cette étude a aussi permis d'évaluer les performances thermiques des composites imprimés et a mis en avant une réduction de la conductivité thermique qui peut atteindre jusqu'à 64% en comparaison avec les échantillons mélangés et homogénéisés.

In the current context of improving the thermal performance of buildings, this research work is part of three Sustainable Development Goals (SDGs) set out by the UN in its 2030 Agenda: Innovation and Infrastructure, Sustainable Cities and Communities and Combating Climate Change.This thesis is based on the will to bring an analysis on the new solutions to be integrated in the building structure for an energy saving in the existing. With a view to improving inertia and thermal comfort in summer, phase change materials have been selected for use in a passive system.The work is initiated by the selection of several PCMs present in the literature and the development of thermal characterization protocols occurring in a comfort temperature range for the habitat. The proposed study involves the inclusion of three phase change materials in the plaster with different mass dosages of these materials in relation to the mass of the binding matrix.In order to evaluate the thermal performances of the Plaster/PCM mixtures, several thermal analyses were carried out. The approach is to characterize in a first step, the different PCMs before and after inclusion in the plaster, in order to raise the potential that the addition of these PCMs can bring on the thermo-physical properties of the mixture.In a second step, the experimental data were exploited for a modeling (CFD) developed on Ansys Fluent using the finite volume method (FVM). Following a validation of the chosen model, the study of the thermal behavior for the case of a wall was carried out for all the Plaster/PCM mixtures. These numerical studies allowed to compare the thermal response of a wall with and without PCM, by varying the type of integration (direct, impregnation and microencapsulation), transition (solid-liquid and solid-solid), and PCM content.The experimental results obtained have allowed to underline a contribution in thermal energy storage that can be provided by PCMs in gypsum, which evolves with the PCM content, an increase of the mass thermal capacity that reaches 42% for gypsum/PCM mixtures and an improvement of the insulating character with a reduction of the thermal conductivity up to 48% in comparison with the reference gypsum.Numerical studies have shown a possibility to attenuate and optimize the internal temperatures of a wall with PCM, which increases with the increase of the PCM content. Special attention was paid to the right combination of thermal and physical properties of the composite for a meaningful result.To overcome the damage problems of MCP micro-encapsulated in the matrix, induced by the conventional mixing process, 3D printing by selective bonding has been adopted to study the feasibility of samples based on gypsum and MCP micro-encapsulated. This study also evaluated the thermal performance of the printed composites and highlighted a reduction in thermal conductivity that can reach up to 64% compared to the mixed and homogenized samples.