THÈSE DOCTEUR DE L UNIVERSITÉ JOSEPH FOURIER

Transcription

1 UNIVERSITÉ JOSEPH FOURIER GRENOBLE 1 N THÈSE pour obenr le grade de DOCTEUR DE L UNIVERSITÉ JOSEPH FOURIER en MÉCANIQUE ÉNERGÉTIQUE présenée e souenue publquemen par Maha AHMAD Le 23 Novembre 2004 NOUVEAUX COMPOSANTS ACTIFS POUR LA GESTION ÉNERGETIQUE DE L ENVELOPPE LÉGÈRE DES BÂTIMENTS. COUPLAGE MATÉRIAUX A CHANGEMENT DE PHASE, SUPER- ISOLATION, APPORTS SOLAIRES Sous la drecon de A. BONTEMPS (Unversé Joseph Fourer, Grenoble) COMPOSITION DU JURY M. ACHARD Parck (Ecole des Mnes de Pars) Rapporeur M. ZEGHMATI Belkacem (Unversé de Perpgnan) Rapporeur M. BONTEMPS André (Unversé Joseph Fourer, Grenoble) M. GUARRACINO Gérard (ENTPE, Vaux-en-Veln) Présden M. HADORN Jean-Chrsophe (Insu naonal de l Energe Solare) Mme KHERROUF Samra (ADEME, Sopha-Anpols) M. QUENARD Danel (Cenre Scenfque e Technque du Bâmen) Thèse préparée au Cenre Scenfque e Technque du Bâmen, San Marn d Hères.

2 A mes parens, A oue ma famlle, Pour m avor perms de réalser mes rêves

3 Remercemens Ce raval a éé effecué au Cenre Scenfque e Technque du Bâmen (CSTB) en collaboraon avec le Groupemen pour la Recherche sur les Echangeurs Thermques (GRETh) du CEA Grenoble. Je ens à remercer Monseur Danel QUENARD, chef de la dvson Caracérsaon, Physque des Maéraux, pour m avor accuell au sen de son laboraore. Il a oujours éé aenf au bon déroulemen de cee hèse e aux moyens nécessares à sa réalsaon. Je voudras ou parculèremen remercer Monseur le Professeur André BONTEMPS, de l Unversé Joseph Fourer, qu m a fa l honneur de drger cee hèse. Il a assuré avec paence e compréhenson le bon déroulemen de ce raval. J exprme ma graude à Monseur Parck ACHARD, Professeur à l Ecole des Mnes de Pars à Sopha Anpols, e à Monseur le Professeur Belkacem ZEGHMATI, de l Unversé de Perpgnan, pour avor accepé d êre Rapporeurs de cee hèse. Je ens égalemen à remercer Monseur le Professeur Gérard GUARRACINO de l Ecole Naonale des Travaux Publcs de l Ea (ENTPE) d avor accepé de parcper à ce jury e d en assurer la présdence. Madame Samra KHERROUF de l Agence De l Envronnemen e de la Maîrse de l Energe (ADEME) e Monseur Jean-Chrsophe HADORN, Dreceur de l Insu Naonal de l Energe Solare (INES), on accepé de parcper à ce jury, qu ls en soen remercés. Je sus exrêmemen reconnassane à Monseur Héber SALLEE, Ingéneur au CSTB Grenoble, pour oue l ade qu l m a apporée duran ces années e pour sa perpéuelle bonne humeur. Je remerce égalemen Monseur Alan MARECHAL e le personnel du GRETh, pour leur ade dans la premère pare du raval expérmenal. Pour leur conrbuon dans l ulsaon de TRNSYS, je remerce Monseur Werner KEILHOLZ du CSTB à Sopha-Anpols e Monseur le Professeur Pa LAMBERG de l Unversé Technologque d Helsnk. Ce raval a bénéfcé du souen de l ADEME, envers laquelle je sus reconnassane. Enfn, je remerce l ensemble des personnes du CSTB Grenoble avec qu j a passé ces années dans une ambance chaleureuse.

4 NOUVEAUX COMPOSANTS ACTIFS POUR LA GESTION ENERGÉTIQUE DE L ENVELOPPE LEGERE DES BATIMENTS. COUPLAGE MATÉRIAUX A CHANGEMENT DE PHASE, SUPER ISOLATION, APPORTS SOLAIRES. L objecf de cee éude es la réalsaon de composans de la srucure des bâmens ncorporan des Maéraux à Changemen de Phase (MCP) couplés à un super-solan (VIP, Vacuum Insulaon Panel), pour d une par amélorer l nere hermque des paros e le confor à l néreur des locaux e d aure par pour réalser une enveloppe légère L éude es dvsée en deux pares. La premère pare es relave à l éude des propréés hermques des paros so expérmenalemen so par smulaon numérque. Cee pare a perms de chosr le ype de paro ans que le MCP. La deuxème pare concerne l éude de deux cellule-ess solées avec un VIP. Une cellule es équpée de panneaux conenan le MCP couplés avec le super solan. Des mesures de empéraures e de flux on perms de caracérser le comporemen hermque des deux cellules pour dfférenes condons clmaques. Une smulaon numérque réalsée à l ade du logcel TRNSYS modfé donne des résulas en bon accord avec l expérence. L éude monre ans que elles paros permeen un sockage effcace de l énerge solare enran par les faces vrées. En éé comme en hver, l amplude de la empéraure néreure de la cellule avec MCP es dmnuée de 20 C sur un cycle journaler. Le MCP donc joue convenablemen son rôle d «amorsseur hermque» e les flucuaons des empéraures néreures son consdérablemen rédues. Les panneaux défns dans cee éude son suscepbles de développemens uléreurs. Mos clés : Maéraux à Changemen de Phase (MCP), Bâmen, Enveloppe légère, TRNSYS, VIP, Energe solare. NEW ACTIVE COMPONENTS FOR THERMAL MANAGEMENT OF THE LIGHT ENVELOPE OF BUILDINGS. COUPLING PHASE CHANGE MATERIALS, SUPER-INSULATION, SOLAR ENERGY. The objecve of hs sudy s he realzaon of buldng componens ncorporang a Phase Change Maeral (PCM) coupled wh a Vacuum Insulaon Panel (VIP) () o mprove hermal nera of he walls and comfor nsde he buldngs () o buld a lgh envelope. The sudy s shared n wo pars. The frs par deals wh he hermal sudy of walls eher expermenally or by numercal smulaon n order o choose he panels and he PCMs. The second par concerns he sudy of wo es-cells wh super-nsulaed lgh wallboards, one of hem beng equpped wh PCM panels. Temperaure and hea flux measuremens allowed us o characerze he hermal behavour of he wo cells submed o clmac condons. A numercal smulaon wh he TRNSYS sofware has been carred ou. Ths smulaon requred he mplemenaon of a new compuaonal module n he sofware. An excellen agreemen was found wh he expermenal resuls over a large perod of me (several monhs) hus demonsrang he valdy of he model. Ths sudy showed ha he effcency of PCM s remarkable wh a reducon of he ndoor emperaure amplude of approxmaely 20 C n he es-cell. The PCM srucure showed sgnfcan hea sorage and de-sorage. PCM panels developed whn he framework of hs sudy seem neresng for fuure developmen. Keywords: Phase Change Maeral (PCM), Buldng, Lgh envelope, TRNSYS, VIP, Solar energy.

5 Tables des maères Inroducon Généralés sur les Maéraux à Changemen de Phase. Applcaon au Bâmen Inroducon Le Sockage par chaleur sensble Généralés Le sockage de chaleur sensble par un flude Le sockage par l eau... 7 a- Avanages de l eau... 7 b- Les dfférenes formes de sockage Le sockage par les aures fludes... 7 a- Les fludes usuels... 7 b- Le sockage Le sockage de chaleur sensble par un solde Le sockage par chaleur laene Généralés Les sysèmes de sockage de l énerge hermque par chaleur laene Les conranes echnologques du sockage par chaleur laene Les avanages du sockage par chaleur laene Les Maéraux à Changemen de Phase (MCP) Généralés Quelques phénomènes ayan un mpac sur l'effcacé du sockage a- La surfuson (Le sous refrodssemen) b- La surchauffe c- La dlaaon Chox d'un MCP Les Maéraux à Changemen Phase courammen ulsés Les hydraes salns Généralés Dfférens hydraes salns Les paraffnes Généralés Condonnemen des paraffnes Dfférenes cres paraffnques Les composés organques non paraffnques Acdes gras Les esers d acdes gras Concluson Euecque Méhodes de condonnemen des MCP dans les applcaons de sockage hermque I

6 1.5 Les applcaons des MCP dans l'ndusre Le sockage de l'énerge Le refrodssemen élecronque Aures applcaons Chauffage des serres avec sockage d énerge à MCP Les applcaons des MCP dans le bâmen La noon de confor hermque a- Défnon : b- Obenon du confor hermque à l ade de MCP La réglemenaon hermque Le chauffage par le sol Les condons de confor Technologes exsanes Clmasaon Façade couplan effe de serre e MCP Fenêres à MCP Les paros à MCP Analyse du problème Les méhodes d ncorporaon des MCP Les closons plâre-mcp Généralés Le chox des MCP e le raemen des paros Les murs de béon à MCP Généralés Le chox du ype de béon a- Béon éuvé b- Béon auoclavé L ncorporaon des MCP a- L ncorporaon drece b- Immerson c- L encapsulaon Le chox du MCP La sablé du MCP dans le béon Modélsaon e smulaon numérque Calcul approché de la empéraure opmale de changemen de phase e de l épasseur des panneaux à MCP d une mason solare Modélsaon d une paro Enveloppes à MCP. Cellules ess Expérence e smulaon de Kondo e al Expérence e smulaon de Kssok e al Expérence à l échelle 1 e smulaon numérque Expérence e smulaon de Scala e al Expérence de P.Achard Expérence d Ahens e al Mason de BASF «hree ler house» II

7 1.10 Concluson Analyse héorque e déermnaon des propréés physques des maéraux Inroducon Esmaon de l épasseur mnmale d une paro conenan un MCP Equaons de base Présence d'une nerface lqude- solde Parcules de MCP dspersées dans un subsra Maérau don le changemen d éa s effecue sur un nervalle de empéraure Méhodes numérques d analyse Généralés : les dfférences fnes Résoluon numérque de l équaon de la chaleur Méhode explce Méhode mplce a - Dérvée seconde exprmée en b - Dérvée seconde exprmée à deux emps dfférens Méhode des conducances hermques Méhode combnan équaon de la chaleur e conducances hermques Déermnaon des propréés physques du mélange Masse volumque : Conducvé hermque Maérau compose granulare a- Calcul héorque b- Mesures de la conducvé hermque Prncpe des méhodes de mesure a- Méhode de la plaque fluxmérque (lambdamère) b- Méhode du fl chaud Le problème de la capacé hermque Méhodes héorques Capacé hermque réelle Capacé hermque apparene Mesures de capacé hermque spécfque C p Prncpe de la méhode e résulas Prncpes reenus Concluson Eude expérmenale sur une paro (2D) Inroducon III

8 3. 2 Dsposf expérmenal Boucle d essas Equpemen e nsrumenaon Les capeurs de flux Paros éudées Expérences réalsées sur les paros conenan des granulas Caracérsaon des granulas e de la paro Granulomére des parcules du MCP Les cas éudés Proporon de MCP dans la paro Cycles hermques côé exéreur Cycle hermque sur paro vde. Tempéraure mposée côé néreur Cycle hermque sur paro smple avec MCP. Tempéraure mposée côé néreur Cycle hermque sur paro double avec MCP. Convecon naurelle côé néreur Rampe de empéraure. Tempéraure mposée côé néreur Rampe lene (2.5 K.h -1 ) Rampe rapde (choc hermque, 27 K.h -1 ) Rampes de empéraure. Convecon naurelle côé néreur Rampe de empéraure lene Choc hermque Concluson Expérence sur des paros conenan un MCP pur (PEG600) Inroducon Généralés sur les polyéhylènes glycols Types de paros éudés Expérences réalsées sur le PEG Cycle hermque Rampe de empéraure lene Rampe rapde (choc hermque) Couplage panneau conenan un MCP avec un super solan de ype VIP Généralés Panneaux ulsés Types d essas effecués Varaon snusoïdale de empéraure Convecon naurelle côé exéreur Rampe lene de empéraure (3 K.h -1 ) Concluson Eude par smulaon numérque de la réponse d une paro 2D à une varaon pérodque de empéraure Inroducon IV

9 4. 2 Présenaon de Heang, Caracères prncpaux du logcel a- Généralés b- Méhode de résoluon: c- Resrcons ou lmaons d- Le emps ypque de fonconnemen Le cas du changemen de phase (Commen heang rae le changemen de phase) Valdaon des procédures de calcul Les cas éudés e les condons aux lmes a- Les cas éudés b- Les condons aux lmes c- Les grandeurs analysées Propréés physques des maéraux Les paros éudées Paros de plâre, solan ou de mélange plâre/ MCP Paros en maéraux ne changean pas de phase a - Plâre b - Isolan Paros consuées d'un mélange plâre/ MCP a - Cas où le mélange MCP/ plâre change d éa avec un fron de soldfcaon b - Cas où le mélange change d éa progressvemen (C p varable) Comparason des smulaons pour dfférens cas éudés a- Influence de l épasseur de la paro b- Varaon de la empéraure de la surface néreure en foncon de la concenraon Paros conenan des granulas Inroducon Paros consuées de polycarbonaes avec granulas de MCP Smulaon numérque sur paro en polycarbonae vde Paros consuées de polycarbonaes avec granulas de MCP a - Cas où les granulas GR25 changen d éa avec un fron de soldfcaon b - Cas où les granulas GR25 changen d éa progressvemen (C p varable) Paro compose, solan plus MCP. Effe de la poson des couches Comparason générale Paro conenan du MCP seul Chox du MCP Influence du flux échangé a- Cas d un maérau à empéraure de changemen d éa défne b- Cas où le maérau change de phase enre 20 e 25 C Descrpon sommare du dsposf expérmenal Comparason smulaon numérque résulas expérmenaux V

10 4. 9 Paro assocan MCP e panneau d solan Concluson Eude expérmenale sur des cellules ess Inroducon Concepon des cellules Défnon de la srucure d accuel des panneaux Monage e chox des maéraux composan les panneaux Caracérsques du MCP ulsé Mse en place des cellules sur la plaeforme d essas Insrumenaon des cellules Descrpon e monage des capeurs de flux hermque e des capeurs de empéraure sur une paro Acquson e sockage des données Résulas obenus Analyse globale des empéraures Analyse des flux hermques sur les paros Présenaon de METEONORM Analyse des flux e des énerges sur le panneau OUEST : a- Analyse des énerges sur le panneau OUEST de la cellule sans MCP b- Analyse des énerges sur le panneau OUEST de la cellule avec MCP Blan global de la cellule sur une journée: a- Avec MCP b- Sans MCP Blan sur une longue pérode. Durablé des cellules ess Concluson Smulaon numérque sur des cellules ess Inroducon Présenaon de TRNSYS Généralés Descrpon générale d un Type IISBa Type Descrpon succnce du modèle Zone hermque a- Flux de chaleur convecf à un nœud b- Le gan par rayonnemen sur une paro VI

11 c- Terme de couplage Paros e fenêres Equaons du modèle PREBID Modèle de smulaon d une paro. Le Type Descrpon du modèle Condons de smulaon Condons aux lmes Données ssues du fcher mééo Descrpon des maéraux e des paros La smulaon numérque Cellule-es sans MCP Cellule-es avec MCP Propréés physques du MCP ulsé Résulas Le problème des pons hermques Comparason avec une aure concepon de srucure de la cellule Cellules à paros radonnelles en béon Isolaon néreure Isolaon exéreure Cellules à murs de srucure radonnelle mas avec o e plancher avec MCP Influence de l épasseur de la paro à MCP sur la empéraure néreure Concluson Concluson REFERENCES ANNEXES VII

12 Table des fgures Fgure 1.1: Evoluon de la empéraure d un corps pur homogène avec changemen d éa Fgure 1.2: Comparason des volumes nécessares au sockage d une même quané d énerge Fgure 1.3: Equvalence enre la chaleur laene nécessare pour fondre 1 kg de glace e la chaleur sensble nécessare pour chauffer l'eau lqude... 9 Fgure 1.4: Varaon de l enhalpe spécfque en foncon de la empéraure : (a) pour un corps pur ; (b) pour un mélange Fgure 1.5: Srucure chmque des paraffnes Fgure 1.6: Tempéraure de fuson des paraffnes en foncon du nombre d aomes de la Molécule Fgure 1.7: Condonnemen de MCP en nodules Fgure 1.8: Prncpe d un procédé de mcroencapsulaon Fgure 1.9: Vue au MEB de mcrocapsules renferman des paraffnes Fgure 1.10: Schéma de prncpe de la geson hermque d'une puce élecronque avec un MCP Fgure 1.11: Echangeur de chaleur à MCP Fgure 1.12: Baere hermque auomoble Fgure 1.13: Prncpe du exle avec MCP Fgure (a) Récupéraeur sur l ar exéreur Fgure (b) Récupéraeur dans lequel le MCP fond quand l ar de la serre es chaud e se soldfe quand l es frod Fgure (c) Récupéraeur couplé à un capeur solare Fgure 1.15: Echangeur récupéraeur pour la geson hermque d une serre Fgure 1.16: La zone du confor maxmal Fgure 1.17: Dsrbuon de la chaleur dans une pèce en ulsan a- le chauffage par un radaeur convenonnel b- le chauffage par le sol Fgure 1.18: Capsules conques conenan un MCP applquées au chauffage par le sol Fgure 1.19: Chauffage par le sol ulsan les MCP Fgure 1.20: Façade vrée couplée à un MCP Fgure 1.21.a: Prncpe d une fenêre double vrage ulsan un MCP 41 Fgure 1.21.b: Dsposf pour l éude d une fenêre double vrage avec un MCP Fgure 1.22: Evoluon réelle de la empéraure dans une pèce Fgure 1.23: Un exemple de closon conenan des MCP Fgure 1.24: Les résulas relafs de l absorpon d un MCP Fgure 1.25: Une mason solare avec des panneaux à MCP Fgure 1.26: Schéma d une paro pour le modèle de ransfer de chaleur Fgure 1.27: Mallage 1D Fgure 1.28 : Comparason des résulas héorques e expérmenaux pour la soldfcaon d un MCP (séarae de buyle) Fgure 1.29 : Thermogrammes de quare échanllons avec dfférenes proporons de MCP.62 Fgure 1.30: Paro e cellules es Fgure 1.31: Varaons de empéraure obenues par smulaon numérque pour dfférens ypes de murs (PB : Plaser Board, PCM : Phase Change Maeral, RC : Regular Concree) Fgure 1.32: Cellule es ulsée par Kssok e al Fgure 1.33: Varaon des empéraures néreures dans deux cellules es avec e sans MCP Fgure 1.34 : Schéma des pèces esées par Scala e al VIII

13 Fgure 1.35: Comparason des empéraures nocurnes de pèces ayan des murs avec e sans Fgure 1.36: Schéma de la cellule es d Ahens e al Fgure 1.37: Le concep de BASF (hree ler house) Fgure 2. 1 : Poson de l nerface lqude solde dans le cas de la soldfcaon du PEG Fgure 2. 2 : Représenaon des nœuds Fgure 2. 3 : Elémen de volume enouran chaque noeud Fgure 2. 4 : Rappor des conducvés hermques en foncon de la concenraon volumque Fgure 2. 5: Méhode de la plaque fluxmérque. Sysème à deux fluxmères Fgure 2. 6: Représenaon schémaque des sondes de mesure de la conducvé hermque84 ' Fgure 2. 7: Forme des courbes de C pe ulsées par Alse e Roy pour éuder leur nfluence sur les ransfers hermques Fgure 2. 8: Varaon de la capacé hermque massque de MCP40, e de plâre en foncon de la empéraure Fgure 2. 9: Le modèle de calcul de Cp en foncon de la empéraure (pour T F = 26 C) Fgure 3. 1 : Le prncpe de la boucle d essas Fgure 3. 2 : Schéma du dsposf expérmenal Fgure 3. 3 : Dsposf expérmenal Fgure 3. 4 : Thermople planare Fgure 3. 5 : Fluxmères Fgure 3. 6 : Panneaux ulsés Fgure 3. 7 : Parcules de MCP Fgure 3. 8 : Analyse de l mage Fgure 3. 9 : Schéma de la paro en polycarbonae Fgure : Cycle hermque sur paro vde Tempéraures Fgure : Cycle hermque sur paro vde - Densés de flux Fgure : Cycle hermque sur MCP - Tempéraures Fgure : Cycle hermque sur MCP - Densés de flux Fgure : Cycle hermque sur une paro conenan des granulas de MCP avec convecon naurelle sur le côé néreur. Evoluon des empéraures Fgure : Cycle hermque sur une paro conenan des granulas de MCP avec convecon naurelle sur le côé néreur. Evoluon des densés de flux Fgure : Dfférence de densés de flux ϕe ϕ Fgure : Rampe sur MCP - Tempéraures Fgure : Rampe sur MCP - Densés de flux Fgure 3. 19(a) : Choc hermque - Tempéraures Fgure (b) : Choc hermque -Tempéraures côé néreur Fgure : Choc hermque - Densés de flux Fgure : Choc hermque 2 - Tempéraures Fgure : Choc hermque 2 - Densés de flux Fgure : dfférence de densés de flux ϕe ϕ Fgure : Rampe avec convecon naurelle - Tempéraures Fgure : Rampe avec convecon naurelle - Densés de flux Fgure : Choc hermque avec convecon naurelle - Tempéraures Fgure : Choc hermque avec convecon naurelle - Densés de flux Fgure : Cycle sur PEG600 avec convecon naurelle - Tempéraures IX

14 Fgure : Cycle sur PEG600 avec convecon naurelle - Densés de flux Fgure : Cycle hermque avec convecon naurelle Fgure : Cycle sur PEG600 Tempéraures Fgure : Cycle sur PEG600 Densés de flux Fgure : Mse en évdence de zones lqudes dans le MCP Fgure : Rampe sur PEG600 avec convecon naurelle - Tempéraures Fgure : Rampe sur PEG600 avec convecon naurelle - Densés de flux Fgure : Dfférence de densés de flux ϕe ϕ Fgure : Choc hermque sur PEG - Tempéraures Fgure : Choc hermque sur PEG Densés de flux Fgure : Dfférence de densés de flux ϕe ϕ Fgure : Panneau de super solan (VIP) Fgure : Coupe d une paro couplan un panneau de PVC avec MCP e un panneau VIP Fgure : Résumé de condons aux lmes Fgure : Cycle hermque sur MCP Tempéraures Fgure : Dfférence de densés de flux ϕe ϕ Fgure : Cycle hermque avec Convecon naurelle côé exéreur Fgure : Dfférence de densés de flux ϕe ϕ Fgure : Rampe sur MCP - Tempéraures Fgure : Rampe sur MCP - Dfférence de densés de flux ϕ ϕ Fgure 4. 1: Comparason des courbes obenues par la smulaon numérque e la soluon analyque Fgure 4. 2: Résumé des condons aux lmes de la smulaon Fgure 4. 3: La capacé hermque d'un mélange Plâre/ MCP (30%) Fgure 4. 4: Comparason des varaons de la empéraure de la surface néreure T p pour des paros en plâre d épasseurs 1-8 cm Fgure 4. 5: Comparason des varaons de la empéraure de la surface néreure T p pour des paros en polysyrène d épasseurs 1-8 cm Fgure 4. 6: Comparason des varaons de la empéraure de la surface néreure T p pour des paros en plâre/ MCP 30%. Smulaon avec un fron de soldfcaon Fgure 4. 7: Comparason des varaons de la empéraure de la surface néreure T p pour des paros en plâre/ MCP 30%. Smulaon avec C P varable Fgure 4. 8: Comparason de la varaon de la empéraure néreure pour ros paros d épasseur denque (6 cm). Paro en plâre, en solan, en Plâre/MCP Fgure 4. 9: Comparason des évoluons de la empéraure néreure pour des épasseurs dfférenes (e =1-8 cm). 1 plâre ; 2 solan ; 3 MCP /plâre (C p = ce) ; 4 MCP/plâre (C p varable) Fgure 4. 10: Evoluon des empéraures maxmales de la surface néreure en foncon de l épasseur Fgure 4. 11: Comparason des varaons de la empéraure sur la surface néreure pour une paro d épasseur de 3 cm en foncon de la concenraon de MCP Fgure 4. 12: Evoluon de la dfférence enre empéraures maxmale e mnmale e de la durée du paler en foncon de la concenraon de MCP Fgure 4. 13: Comparason des varaons de la empéraure sur la surface néreure d une paro d épasseur de 6 cm en foncon de la concenraon de MCP Fgure 4. 14: Evoluon de la dfférence enre empéraure maxmale e mnmale e de la durée du paler en foncon de la concenraon de MCP e X

15 Fgure 4. 15: Evoluon du rappor des durées des palers de changemen d éa pour des paros d épasseur 3 e 6 cm Fgure : Varaon de la empéraure sur la surface néreure d une paro vde Fgure : Schéma de paro de polycarbonae ulsée dans l éude Fgure : Comparason enre T p pour des paros : en polycarbonae, en plâre e mélange MCP/plâre avec C p varable Fgure 4. 19: Comparason des varaons de la empéraure de la surface néreure d une paro de polycarbonae avec granulas modélsée avec C p consane e avec C p varable Fgure 4. 20: Comparason des varaons de la empéraure de la surface néreure d une seule paro e de deux paros denques juxaposées Fgure 4. 21: Varaon de la empéraure sur les surfaces néreures, exéreures e sur les nerfaces Fgure 4. 22: Comparason des varaons de la empéraure sur la surface néreure pour chaque cas Fgure 4. 23: Evoluon de la empéraure sur la surface néreure d une paro composée de MCP e plaques d solan : Fgure 4. 24: Comparason générale Fgure 4. 25: Varaon de la empéraure sur la surface néreure d une paro de polycarbonae conenan du polyéhylène glycol, pour un cycle hermque de deux jours Fgure 4. 26: Réssances hermques dans la secon d essas Fgure 4. 27: Varaon de la empéraure en foncon de emps Fgure 4. 28: Paro assocan MCP e VIP. Poson des mesures de empéraures Fgure 4. 29: Paro assocan MCP e VIP. Comparason enre les varaons de empéraures obenues numérquemen e expérmenalemen Fgure 5. 1: Proflé d accuel des panneaux sans MCP Fgure 5. 2: Proflé d accuel des panneaux avec MCP Fgure 5. 3: Schéma de monage des panneaux dans la srucure Fgure 5. 4: Schéma de prncpe Fgure 5. 5: Orenaon SUD des cellules Fgure 5. 6: Cellules sur la plaeforme d essas Fgure 5. 7: Posons de capeurs de flux/empéraure dans les panneaux Fgure 5. 8: Exemple d acquson de données Fgure 5. 9: Evoluon des empéraures néreures des deux cellules Fgure : Tempéraures néreures - Ecars par rappor à l exéreur Fgure : Le sens posf du flux Fgure : Cellule sans MCP Flux face OUEST Fgure : Cellule avec MCP - Flux face OUEST Fgure : Varaons de la densé de flux pendan deux journées Fgure : L ensolellemen au sud e à l oues Fgure : Sens des densés du flux duran la journée pour la paro sans MCP (de 7h40 à 14h20) Fgure : Sens des densés du flux duran la journée pour la paro sans MCP (de 16h20 à 16h40) Fgure : Blan des énerges échangées à la paro sans MCP Fgure : Analyse des énerges échangées Fgure 5. 20: Sens des densés du flux duran la journée pour la paro avec MCP (de 6h50 à 12h40) XI

16 Fgure 5. 21: Sens des densés du flux duran la journée pour la paro avec MCP (de12h40 à 16h30) Fgure : Blan des énerges échangées à la paro avec MCP Fgure : Evoluon des empéraures néreures des deux cellules pour : (a) Sepembre (b) Sepembre Fgure 6. 1 : Fenêre vde (IISBa Assembly Wndow) Fgure 6. 2 : Remplssage des fenêres Fgure 6. 3 : Blan des flux sur un nœud Fgure 6. 4 : Flux radafs en consdéran la empéraure du nœud représenan la surface d une paro Fgure 6. 5 : Exemple de couplage Fgure 6. 6 : Flux échangés à la surface d une paro Fgure 6. 7 : Les lens enre les dfférens ouls de TRNSYS Fgure 6. 8 : Capacé hermque massque en foncon de la empéraure ulsée dans le Type Fgure 6. 9 : Condons aux lmes du problème Fgure : Srucure des paros Fgure : Ulsaon d IISBa pour smuler une cellule sans MCP. Lens enre les dfférens Types Fgure : Comparason enre la smulaon e la mesure pour la cellule-es sans MCP pendan 10 jours de sepembre Fgure : Ensolellemen côé sud dédu des mesures d ensolellemen horzonal global Fgure : Ulsaon d IISBa. Lens enre les dfférens Types Fgure : Comparason enre la smulaon numérque e la mesure pour la cellule-es avec MCP pour les premers quare jours de sepembre Fgure 6. 16(a): Evoluon des empéraures calculées par smulaon numérque. Comparason avec e sans pon hermque Fgure 6.16(b) : Ecar de empéraure enre la smulaon e l expérence.193 Fgure : Coupe d une paro en béon solée de l néreur Fgure : Evoluon des empéraures calculées par smulaon numérque. Comparason des cellules ess e d une cellule ayan des murs en béon. Isolaon par l néreur Fgure : Coupe d une paro en béon solée de l exéreur Fgure : Evoluon des empéraures calculées par smulaon numérque. Comparason des cellules ess e d une cellule ayan des murs en béon. Isolaon par l exéreur Fgure : Comparason de l évoluon des empéraures néreures pour 4 ypes de cellules Fgure : Influence de l épasseur sur l évoluon des empéraures néreures d une cellule avec paro à MCP XII

17 Lse des ableaux Tableau 1.1 : Avanages e nconvénens comparés des dfférens changemens d'éa : Tableau 1.2 : Comparason enre dfférens mleux de sockage de l énerge (Energe sockée =10 6 kj = 300 kwh; T=15K) Tableau 1.3 : Dfférens hydraes salns Tableau 1.4 : Exemples de propréés physques de paraffnes Tableau 1.5 : Tempéraure de fuson e chaleur laene de quelques acdes gras Tableau 1.6 : Quelques propréés physques de cerans composés organques non paraffnques Tableau 1.7 : Une lse de quelques Euecques Tableau 1.8 : Les propréés hermo physques des MCP ulsés dans les applcaons de conservaon de l énerge dans les serres Tableau 1.9 : Données echnques de l expérence de A. Kürklü Tableau 1.10 : Applcaons poenelles de sockage de l énerge hermque par les maéraux à changemen de phase Tableau 1.11 : Le sockage durne d une paron néreure d une closon MCP où la empéraure es la empéraure moyenne de la chambre Tableau 1.12 : Méhodes d ncorporaon des MCP. Essas de Hawes e al Tableau 1.13 : Comparason d une paro à MCP avec les valeurs caracérsques du béon e du placoplâre Tableau 1.14 : Propréés physques d une closon mesurées par Oak Rdge Naonal Laboraory : Tableau 1.15 : Dfférenes caracérsques de combnason gypse MCP Tableau 1.16 : Absorpon du MCP en foncon du maérau de la closon Tableau 1.17 : Exemples de MCP ncorporés au béon Tableau 1.18 : Combnason de Béon-MCP : Tableau 3. 1 : Résulas de la granulomére des parcules de MCP : Tableau 3. 2 : Caracérsaon des maéraux : Tableau 4. 1 : Comparason des valeurs de la empéraure e écar enre méhode numérque e méhode analyque Tableau 4. 2: Les propréés physques des maéraux ulsés Tableau 4. 3: Propréés physques du mélange plâre/ MCP Tableau 4. 4: Evoluon de T max e T mn en foncon de l épasseur d une paro en plâre Tableau 4. 5: Evoluon de T max e T mn en foncon de l épasseur d une paro en polysyrène Tableau 4. 6: Evoluon de T max e T mn en foncon d une paro en plâre/ MCP Tableau 4. 7: Evoluon de T max e T mn en foncon de l épasseur d une paro en plâre/ MCP avec C P varable Tableau 4. 8: Varaon des empéraures maxmales e mnmales sur la surface néreure en foncon de la concenraon Tableau 4. 9: Varaon des empéraures maxmales e mnmales sur la surface néreure d une paro de 6 cm d épasseur en foncon de la concenraon Tableau 4. 10: Les valeurs mesurées de la conducvé hermque comparées à celles données par le fabrcan : Tableau 4. 11: Les valeurs maxmales e mnmales de la surface néreure pour des paros en polycarbonae, en plâre e en mélange XIII

18 Tableau 4. 12: Comparason de paros ayan des srucures dfférenes : empéraures néreure maxmale e mnmale, écar enre empéraures néreures maxmale e mnmale, durées de paler de fuson/ soldfcaon Tableau 5. 1 : Caracérsques connues de polyéhylène glycol (PEG) 600 : Tableau 5. 2 : Blan hermque sur une journée de la cellule MCP : Tableau 5. 3 : Blan hermque sur une journée de la cellule sans MCP : Tableau 5. 4 : Ecars de empéraure moyens pour une cellule à paros sans MCP e une cellule avec MCP Tableau 6. 1 : Les propréés physques des maéraux de srucure des cellules es avec e sans MCP Tableau 6. 2 : Influence de l épasseur sur la empéraure XIV

19 NOMENCLATURE Caracères lans a consane - a Dffusvé hermque [m 2. s -1 ] A Surface perpendculare à la drecon consdérée [m 2 ] A f Surface de cadre [m 2 ] A g Surface de vrage [m 2 ] A w, Surface d échange enre la paro e l amosphère néreure [m 2 ] b consane c consane C Capacé hermque du volume V ; C = ρ C p V [J.K -1 ] C p Capacé hermque massque à presson consane [J.kg -1. K -1 ] C pe Capacé hermque massque équvalene [J.kg -1. K -1 ] ' C pe Capacé hermque massque apparene [J.kg -1.K -1 ] C pm Capacé hermque massque à presson consane de MCP [J.kg -1.K -1 ] C v Concenraon volumque d Consane D op Epasseur opmale [m] e Epasseur [m] E so Quané ule maxmale de l énerge sockée pendan la nu par uné de surface [kj.m -2 ] f s Fracon solde dans régon dphasque - g Accéléraon gravaonnelle [m.s -2 ] G Conducance hermque [W.K -1 ] h Enhalpe massque [ J.kg -1 ] h e Coeffcen d échange convecf exéreur [ W.m -2. C -1 ] h Coeffcen d échange convecf néreur [ W.m -2. C -1 ] h m Enhalpe massque moyenne [J.kg -1 ] h o Enhalpe massque à la empéraure de référence [ J.kg -1 ] l Haueur de lqude conenu dans le capllare [m] L, L F Chaleur laene, de fuson [J.kg -1 ] m Masse [kg] M Défn par l équaon (2.16) n normal P Presson [ Pa ] q () Densé de flux absorbé [W.m -2 ]. a Q Quané de chaleur [J]. Q Pussance hermque [W] ou [kj.h -1 ]. Q r, a,. Q r, a, e Flux radaf absorbé par la surface néreure (gans radafs e solare) [W] Flux radaf absorbé par la surface exéreure (gans solares) r Rayon [m] R Réssance hermque [m 2.K.W -1 ] S Source volumque de chaleur [W.m -3 ] S 1 Energe sockée (calculée à parr de l négrale des flux) [J] [W] XV

20 S 2 Energe désockée (calculée à parr de l négral des flux) [J] Temps [s] d Temps de charge [s] n Temps de décharge [s] sor Durée de cycle hermque de sockage [s] T Tempéraure [K, C] T ar Tempéraure de l amosphère de la zone éudée [K, C] T c Tempéraure crque [K, C] T d Tempéraure durne [K, C] T,j,k Tempéraure au nœud,j,k [K, C] T Tempéraure au nœud e au emps [K, C] T Tempéraure au nœud e au emps + [K, C] T m Tempéraure moyenne [K, C] T m, op Tempéraure opmale de changemen de phase [K, C] T MCP Tempéraure de la paro à MCP [K, C] T o Tempéraure de référence [K, C] T n Tempéraure nocurne de la pèce [K, C] T r Tempéraure moyenne de la pèce [K, C] T venlaon Tempéraure de soufflage. [K, C] T w, Tempéraure de paro. [K, C] T zone, Tempéraure d une zone adjacene à la zone [K, C] U Energe nerne [J] U Coeffcen d échange global [W.m -2.K -1 ] v Volume spécfque [m 3. kg -1 ] v n Vesse de l nerface [m.s -1 ] V Volume [m 3 ]. V cp lg Déb volumque de l ar provenan de la zone adjacen à la zone [m 3.s -1 ]. V nf Déb volumque de l ar nflré [m 3.s -1 ] V. ven Déb volumque de la source de venlaon [m 3.s -1 ] w Pulsaon [ s -1 ] x,y,z Coordonnées [ m ] Caracères grecs γ Tenson surfacque [N.m -1 ] h f Chaleur laene (chaleur de fuson /soldfcaon) [J.kg -1 ] Inervalle de emps [s] T Inervalle de empéraure [K, C] V Volume assocé au noeud [m 3 ] x Inervalle de dsance [m] λ Conducvé hermque [W.m -1. C -1 ] λ e Conducvé hermque équvalene [W m -1. C -1 ] λ M Conducvé hermque de MCP [W.m -1. C -1 ] µ Vscosé dynamque [Pa.s] XVI

21 ρ Masse volumque [kg.m -3 ] ρ e Masse volumque équvalene [kg.m -3 ] ρ M Masse volumque de MCP [kg.m -3 ] ϕ e Densé de flux exéreur [W.m -2 ] ϕ Densé de flux néreur [W.m -2] τ Pérode [s] ψ Déphasage - Indces c crque e exéreur f fnal F fuson nal, néreur L lqude m moyenne max maxmal mn mnmal pe la surface exéreure de la paro p la surface néreure de la paro S Solde ss Subsra XVII

22 Inroducon Un des défs majeurs auquel es confronée nore socéé es la geson de nos ressources naurelles sans provoquer leur épusemen e sans modfer l envronnemen de la planèe. En parculer, la producon d énerge s effecue prncpalemen par prélèvemen de combusbles sur des gsemens de alle lmée don on peu crandre l épusemen. D aure par, la producon e la consommaon d énerge conrbuen à la modfcaon de l équlbre hermque à la surface de la erre en produsan des gaz à effe de serre auxquels on arbue le réchauffemen acuel de la planèe. A cee polluon hermque ven égalemen s ajouer une polluon physque ou chmque par les déches. La réducon de la consommaon rese le moyen le plus effcace non seulemen pour économser l énerge mas auss pour rédure la polluon. Cependan, les socéés conemporanes exgen un nveau d hygène e de confor qu nécesse une consommaon e une producon d énerge mporanes. Une des voes qu es explorée consse à rechercher e à ulser de nouvelles echnologes sobres e propres, qu ne condusen n à l épusemen des ressources n à la modfcaon de l envronnemen e permeen un développemen durable. Le seceur du bâmen (ensemble du résdenel e du erare) es devenu en l an 2000, à égalé avec le seceur ndusrel, le premer consommaeur d énerge avec 28 % de la consommaon mondale oale e, conraremen au seceur ndusrel, cee proporon connue de croîre. En France, cee proporon es de 45,8 % e le seceur du bâmen es le premer consommaeur d énerge. Une grande pare de cee consommaon proven des sysèmes de chauffage e de clmasaon qu assuren une empéraure néreure compable avec les condons de confor. En France, avec 70 %, le chauffage rese le premer pose de consommaon dans les logemens. C'es pourquo, quelles que soen la naure e l'effcacé des sysèmes de chauffage, la melleure façon de dmnuer les besons énergéques d'un bâmen demeure la réducon des peres e par conséquen l'améloraon de l'solaon hermque des paros. De plus, l exse une demande de plus en plus fore pour le confor d éé mse en exergue par la cancule de l éé Pour répondre à cee nouvelle exgence, la clmasaon n es pas la soluon déale car elle accroî encore la consommaon énergéque e nécesse une manenance rgoureuse pour assurer la qualé de l ar. L enveloppe des bâmens radonnels es resée pendan rès longemps un moyen passf permean d une par de lmer les peres ou les appors hermques d aure par, d assurer une cerane clmasaon de par son nere hermque. En effe, l énerge hermque sockée dans les murs pendan les pérodes chaudes es resuée pendan les pérodes frodes. Dans les bâmens acuels, en parculer dans le domane erare, on s efforce de dmnuer l épasseur des paros pour dmnuer les coûs ou en respecan les normes pour lmer les peres hermques. Cependan, de elles srucures ne permeen pas d avor une nere hermque suffsane capable d amorr les flucuaons de la empéraure exéreure. Une des façons de dmnuer les besons énergéques d'un bâmen es donc la concepon d'une enveloppe économe en énerge, lman les déperdons e récupéran au maxmum les appors passfs. Pour aendre ces objecfs, l exse un ceran nombre de prncpes de base don les plus mporans son l'solaon e l'nere hermque ans que l'ulsaon des appors solares. En ce qu concerne l'solaon hermque, de nouveaux composans permeen d'envsager la réalsaon d'un sau echnologque avec la dmnuon d'un faceur 7 ou 8 de la conducvé 1

23 hermque par rappor aux solans acuels pour aendre une valeur de 5 mw/m.k. Ils son appelés les super-solans. En ce qu concerne l nere hermque, l ulsaon de Maéraux à Changemen de Phase (MCP) dans les paros elles-mêmes perme de subsuer au sockage par chaleur sensble un sockage par chaleur laene qu nécesse un volume e une masse ben mondres pour la même quané d énerge hermque. Enfn, concernan l ulsaon des appors solares, l énerge ransmse à ravers les vrages sera auss sockée par le MCP e resuée en cas de beson. L objecf de cee hèse es donc de concevor, de eser e de modélser des paros obéssan aux quare prncpes énoncés plus hau : Concepon e réalsaon d une paro légère économe en énerge en ulsan des panneaux en maéraux bon marché dsponbles commercalemen, solaon renforcée par l ulsaon de super-solans d épasseur rès fable, nere hermque par l ulsaon de MCP qu permeen égalemen de profer des appors solares. La paro réalsée, esée e modélsée sera donc une paro assocan un panneau de fable coû, un maérau à changemen de phase e un super-solan. De plus, ce ype de paros sera ulsé dans des cellules smulan une habaon soumse aux condons clmaques pour eser leur comporemen en suaon réelle. Enfn, le comporemen hermque de ces cellules sera modélsé. Les panneaux ulsés pour former les paros légères son des panneaux du commerce consués d un maérau e ayan une épasseur compable avec les objecfs recherchés. Les super-solans on égalemen éé rouvés chez un fabrcan spécalsé. Ces deux ypes de composan n on donc pas nécessé de raval de recherche à propremen parler. Les MCP e leur négraon dans les paros on par conre exgé des éudes approfondes. En effe, les maéraux à changemen de phase qu on fa l'obje de rès nombreuses éudes à la fn des années 70 e au débu des années 80 pour développer des sysèmes de sockage de l'énerge solare offren aujourd'hu de nouvelles poenalés avec leur négraon dans les composans d'enveloppe, à cause en parculer des évoluons echnologques dans les procédés de condonnemen. Le mémore es dvsé en sx chapres : Le premer chapre es consacré à une analyse bblographque dans laquelle on classe les dfférens maéraux à changemen de phase en foncon de leurs propréés e des objecfs à aendre. On présene égalemen leurs applcaons en nssan sur celles concernan le bâmen. Dans le deuxème chapre, on présene les méhodes héorques permean de calculer les empéraures à l néreur des paros ans que les flux ransférés. Ce son essenellemen les méhodes de résoluon de l équaon de conducon de la chaleur dans un maérau qu change d éa. Ces méhodes son ensue éendues à l ensemble d un bâmen. Les équaons nécessan la connassance des propréés physques, la déermnaon de ces dernères so par le calcul so par l expérence es égalemen présenée. Le chapre ros décr le dsposf expérmenal ulsé pour caracérser les paros. Les essas son égalemen décrs e les résulas obenus on perms de chosr un ype de paro correspondan à nos besons. Le chapre quare présene la modélsaon des paros e la smulaon numérque assocée. Le logcel de conducon «Heang» es ulsé avec les condons aux lmes des expérences 2

24 décres au chapre précéden. L accord obenu enre résulas expérmenaux e résulas de smulaon numérque es sasfasan. Dans le chapre cnq es décr la réalsaon de deux cellules ess, l une ayan des paros avec solaon, l aure ayan des paros couplan MCP e super-solan. Ces cellules de 1 m 3 envron son placées à l exéreur depus l éé 2003 e les empéraures (néreures, exéreures, paros) e les flux on éé mesurés en foncon du emps. Le chapre sx présene la smulaon numérque du comporemen hermque de ces cellules à l ade du logcel TRNSYS. Ce logcel n a pu êre ulsé qu en nrodusan un sousprogramme décrvan le comporemen d une paro à MCP. Les condons clmaques réelles on éé ulsées comme condons aux lmes e les résulas de la smulaon on éé comparés aux résulas expérmenaux décrs au chapre précéden e dscués. Enfn nous concluons en synhésan nos résulas e en ndquan quelques drecons de recherche fuure. 3

25 Chapre 1 Généralés sur les Maéraux à Changemen de Phase. Applcaon au Bâmen. 4

26 1. 1 Inroducon Le sockage es un moyen prvlégé pour une geson opmale de l énerge hermque. Il perme en effe d adaper la producon aux besons e de créer les condons les plus favorables à cee geson en réalsan une relaon consane enre l énerge demandée e l énerge fourne. De plus, dans le bâmen, l peu conrbuer effcacemen à amélorer le confor des occupans quand l es nsallé dans l enveloppe (nere des murs, dalles.). Parm les applcaons usuelles on peu cer: la geson de l'énerge hermque produe dans les nsallaons ndusrelles. On réalse des sysèmes qu récupèren la chaleur perdue pendan la durée de fonconnemen de l'nsallaon pour l'ulser au momen e à l'endro où on en a beson. la geson de l'élecrcé produe pendan les heures creuses. L énerge élecrque produe pendan les heures creuses peu êre ransformée en énerge hermque pour almener les bâmens ou les nsallaons ndusrelles pendan les heures de pones où le beson d énerge peu dépasser les capacés de producon des cenrales. la geson de l'énerge frgorfque. Le sockage de l'énerge e en parculer le sockage par la chaleur laene perme une réelle geson de l énerge frgorfque en foncon des besons. En effe, en frod ndusrel e en clmasaon, le procédé de producon ne perme pas de grands écars de la empéraure d exploaon, c es ce qu rend quas-mpossble l ulsaon d'un sockage par chaleur sensble. L énerge dsponble es ulsée pour charger un sockage e l énerge sockée sera ulsée dans les nsallaons lors de pones de consommaon, quand la pussance appelée es supéreure à la pussance de la cenrale comme dans le cas de la geson de l'énerge élecrque. les sysèmes solares passfs Parm les problèmes praques qu concernen les sysèmes à énerge solare, c es le beson d un moyen effcace, avec lequel on peu socker la chaleur pendan un jour ensolellé pour l ulser pendan la nu ou dans une aure pérode. le refrodssemen des crcus élecronques Le fonconnemen en ransore des crcus élecronques nécesse généralemen des pussances de refrodssemen ben supéreures aux pussances nomnales qu condusen à surdmensonner les crcus, leurs almenaons e leur sysème de refrodssemen. L'ulsaon d'un sockage d'énerge assocé à ces crcus perme de fare face aux appels ransores de pussance sans ce surdmensonnemen. la geson du confor hermque dans les bâmens Le confor hermque es foncon non seulemen de la empéraure e de l'humdé de l'ar amban mas encore des empéraures des paros. C'es une des rasons pour laquelle dans ce cas le sockage par chaleur laene es aracf. Cee applcaon fa pare de la présene éude e sera donc décre plus lon. Il y a deux echnques prncpales de Sockage Thermque : Le sockage par la chaleur sensble (Sockage Thermque Sensble, STS) dans lequel la empéraure des maéraux de sockage vare avec la quané d énerge sockée. Le sockage par la chaleur laene (Sockage Thermque Laene, STL) qu ulse l énerge emmagasnée ou resuée lorsqu un corps change d éa (solde, lqude, gaz). Pour avor des ordres de grandeur, le sockage par la chaleur sensble sera décr succncemen pus on donnera quelques généralés sur le sockage par la chaleur laene. 5

27 1. 2 Le Sockage par chaleur sensble Généralés Dans le sockage par chaleur sensble, l énerge hermque ransférée fa varer la empéraure du maérau (fgure 1.1, zone sensble). S h es l enhalpe massque du maérau, la varaon de la quané de chaleur Q échangée par le maérau lorsqu'l passe d'un éa nal noé avec l'ndce à un éa fnal noé avec l'ndce f es : Où : m es la masse du maérau [kg], h es l enhalpe massque nale [J kg -1 ], h f es l enhalpe massque fnale [J kg -1 ]. Q = m (h f h ) [J] (1.1) S la capacé hermque massque du maérau c p (ou chaleur spécfque massque, J kg -1 K -1 ) es consane, l'expresson de l'enhalpe massque perme d'écrre: Q = m C p (T f T ) [J] (1.2) Où T es la empéraure nale [K], T f es la empéraure fnale [K]. Il es donc ule d ulser des maéraux à fore capacé hermque qu emmagasneron un maxmum d'énerge. Mas ces maéraux doven avor d aures propréés comme une sablé à long erme lors des cyclages hermques, la compablé avec le récpen de sockage e égalemen un coû rasonnable. Tempéraure T Sensble Laene Sensble T f T F T Solde Lqude Fuson Soldfcaon Energe hermque Q Fgure 1.1: Evoluon de la empéraure d un corps pur homogène avec changemen d éa. 6

28 Le classemen du ype de sockage par chaleur sensble dépend du mleu de sockage, en parculer de son éa physque. On défnra ans: le sockage par un flude (l eau, l hule, des sels fondus). le sockage par un solde (perre, méaux, ) Le sockage de chaleur sensble par un flude Le sockage par l eau a- Avanages de l eau L eau es le melleur mleu pour le sockage aux fables empéraures. Elle a la capacé hermque massque la plus grande par rappor aux aures corps (4 185 J kg -1 K -1 à 20 C). Ans, pour une varaon de empéraure de 60 C, l eau peu socker 250 kj/kg ou kj/m 3. De plus, l'eau n es pas chère e faclemen dsponble. Cependan, à cause de sa grande presson de vapeur, pour les applcaons à haue empéraure, elle demande une solaon coûeuse e un réservor de sockage qu résse aux fores pressons. L eau es ulsable non seulemen comme mleu de sockage mas auss comme mleu de ranspor de l énerge. Acuellemen, l eau chaude es le veceur le plus ulsé dans les sysèmes d applcaons de l énerge solare. Elle es ulsable dans un domane de empéraures allan de 25 à 90 C. b- Les dfférenes formes de sockage Le réservor : Il y a peu de problème de compablé enre l'eau e le maérau des réservors. Il y a de nombreux maéraux ulsables comme l acer, l alumnum, le béon, la fbre de verre e le chox dépend de l'applcaon. Pour l solaon, on ulse généralemen la lane de verre, la lane mnérale ou le polyuréhane. Les nappes aqufères naurelles en sous sol : Les aqufères naurelles en sous-sol son les soluons les melleures pour les sockages mporans e/ou sur une longue pérode. Leur alle peu êre de mlle jusqu à des mllons de mères cubes. Par exemple, 10 5 m 3 d aqufères peuven socker 3 MJ de chaleur par 10 K de dfférence de empéraure. Par voe de conséquence, leur grande alle les rend non ulsables pour les pees charges (comme les masons d habaon). Le sockage par l eau salé : Les bassns solares présenen une façon smple e économque de sockage d une grande quané d énerge solare à des fables nveaux de empéraures (50-90 C). Ils on un poenel mporan pour les applcaons de chauffage e de refrodssemen, pour récupérer e fournr la chaleur dans les processus ndusrels ans que pour la généraon de l élecrcé Le sockage par les aures fludes a- Les fludes usuels Les lqudes aures que l eau ulsés pour le sockage par chaleur sensble son généralemen des hules organques ou des sels fondus. Leurs capacés hermques massques son de l ordre de 25 à 40 % de celle de l eau. 7

29 Hules organques : Elles on une presson de vapeur plus fable que celle de l eau, elles peuven êre ulsées à des empéraures supéreures à 300 C mas nféreures à 350 C pour éver leur décomposon. Sels fondus : Le plus couran es l hydroxyde de sodum. Il a un pon de fuson de 320 C e l es possble de l ulser à une empéraure supéreure à 800 C. Mas, l es foremen corrosf e l es dffcle à socker à fores empéraures. Les méaux lqudes peuven êre un moyen de sockage par chaleur sensble. La plupar de leurs propréés son smlares à celles de l eau. Ces lqudes on une grande conducvé hermque, ls on en commun avec les hules organques une fable chaleur spécfque e une fore possblé de réagr avec le réservor. De nombreux fludes peuven êre ulsés pour des besons de sockage. Une revue néressane ben qu'ancenne, perme de monrer la dversé des produs envsageables enre 100 e 235 C [49]. b- Le sockage L acer noxydable 304 es le maérau le plus ulsé pour socker les hules e les méaux lqudes (en prenan garde à l oxygène e aux oxydes de l envronnemen pour éver la corroson) Le sockage de chaleur sensble par un solde Les perres, les méaux, le béon, le sable e la brque son les maéraux généralemen ulsés pour le sockage hermque aux fables e haues empéraures parce qu ls ne peuven n se congeler n enrer en ébullon. Les dffculés dues à la grande presson de vapeur dans le sockage par l eau e les aures lqudes, condusen à socker la chaleur sensble à l ade d un solde en élmnan les rsques de fue. Le sockage par les perres : Les perres peuven servr à socker l énerge solare e ce sockage es ben adapé à l ulsaon dans le bâmen. Ce ype de sockage es ulsé pour des empéraures supéreures à 100 C en conjoncon avec le chauffage solare de l ar Les perres e les calloux peuven même êre ulsés à des empéraures supéreures à 1000 C. Le sockage e la récupéraon de l énerge hermque se fasan à l ade d un flux d ar, la alle des perres es alors un faceur de chox mporan. Cee alle peu varer de 1 cm à cm. Il semble que les alles opmales soen comprses enre 1 e 5 cm [1]. De plus, l unformé du volume des perres peu poser un problème vs à vs de la quané d ar nécessare. Dans le cas d une grande dsperson des volumes, les pees perres von remplr les vdes enre les grandes perres modfan ans la quané d ar nécessare. Un aure problème mporan es dû à la condensaon qu favorse la crossance des bacéres. Les ordres de grandeurs son les suvans : - Pour une varaon de la empéraure de 50 C, les perres e le béon peuven socker de l ordre de 36 kj/kg ou 10 5 kj/m 3. - En premère approxmaon, on peu dre que 1 m 2 de colleceur solare pour une applcaon de chauffage nécesse de 300 à 500 kg de sockage. En général le sockage par les perres nécesse un plus grand volume que le sockage par l eau. Sur la fgure 1.2 on compare les volumes nécessares au sockage d une même quané d énerge hermque pour un même écar de empéraure par ros ypes de corps [7]. 8

30 10 10 m 7 5 m 5m 11 m 7 m 5.5 m Perre eau sel 1100 m m m 3 Fgure 1.2 : Comparason des volumes nécessares au sockage d une même quané d énerge. 1.3 Le sockage par chaleur laene Généralés Comme le sockage par chaleur laene perme de socker une grande densé d énerge, ce ype de sockage es une echnque aracve. De plus, l perme de socker la chaleur sous la forme de chaleur laene de fuson à une empéraure consane, cee empéraure correspondan à la empéraure de la ranson de phase. Pour donner des ordres de grandeur, l énerge demandée pour fondre 1 kg de glace es 80 fos l énerge demandée pour augmener la empéraure de 1 kg d eau de 1 C, auremen d e pour chffrer l'énerge nécessare, alors que l'on a beson d'une énerge de 4,2 kj pour dmnuer la empéraure de 1 kg d eau d'une empéraure de 1 C à 0 C, l fau 335 kj pour compléer sa soldfcaon en glace à T = 0 C. Une aure mage en es donnée fgure (1.3). 335kJ 335kJ 1kg Glace 0 C Chaleur laene Chaleur 1kg sensble Eau lqude 0 C 1kg Eau lqude 80 C Fgure 1.3 : Equvalence enre la chaleur laene nécessare pour fondre 1 kg de glace e la chaleur sensble nécessare pour chauffer l'eau lqude. On remarque donc que: () - La chaleur laene es beaucoup plus mporane que la chaleur sensble (pour un écar de empéraure pas rop mporan). () - Les pons de fuson dépenden des corps ulsés; ce crère perme d ulser des maéraux dfférens en foncon des empéraures souhaées. Ces maéraux son les Maéraux à Changemen de Phase (MCP). 9

31 Dans le cas d un changemen d éa (fuson), la quané de chaleur mse en jeu s écr: Οù h f es l enhalpe spécfque de fuson. Q = m (h f h ) = m h f (J) (1.3) Généralemen, l fau porer le maérau nalemen à T à sa empéraure de fuson T F e l on écr : Q = m (h f h ) = m. c p.(t F T ) + m h f (J) (1.4) Dans le cas d un corps pur on rouve une courbe de varaon des empéraures analogue à celle présenée fgure 1.1. Pendan le chauffage du maérau avan sa empéraure de fuson, on observe une varaon lnéare de la empéraure en foncon du emps ands que pendan le changemen d'éa la empéraure rese consane. S l on représene l enhalpe spécfque en foncon de la empéraure [5], on oben donc la courbe (a) de la fgure (1.4). On remarque la dsconnué due au changemen d éa (pas de varaon de empéraure). Dans le cas d un mélange (allage, ), la varaon d enhalpe ne présene plus de dsconnué (courbe (b) fgure 1.4) sauf dans le cas où l on a formaon d un composé défn avec fuson (ou soldfcaon) congruene (Annexe 1). h(t) (a) h m h f h (b) T T F Fgure 1.4: Varaon de l enhalpe spécfque en foncon de la empéraure : (a) pour un corps pur ; (b) pour un mélange. 10

32 En résumé, les avanages de la chaleur laene son donc: - des densés mporanes de sockage, - une empéraure de changemen de phase (crsallsaon e fuson) quasmen consane pour les corps purs ou les composés défns Les sysèmes de sockage de l énerge hermque par chaleur laene Les conranes echnologques du sockage par chaleur laene Le sockage par chaleur laene ulse l enhalpe de changemen d éa pendan la fuson ou la soldfcaon du mleu ulsé, mas l peu ulser égalemen la chaleur sensble nécessare pour chauffer le solde jusqu à son pon de fuson. Il fau donc : que le sysème de sockage suppore le changemen de phase dans les lmes des empéraures demandées pour ce changemen, que le sysème de sockage suppore le changemen de phase avec le changemen de volume qu lu es lé, un coneneur capable de socker les maéraux suvan leur naure, une surface d échange pour ransférer l énerge hermque enre la source de chaleur e le maérau à changemen de phase Les avanages du sockage par chaleur laene Par rappor au sockage par chaleur sensble, les prncpaux avanages du sockage par chaleur laene peuven êre résumés ans: Les maéraux ulsés, dans la gamme des empéraures de confor en hermque du bâmen (20 à 30 C), peuven socker de 5 à 14 fos plus de chaleur que les maéraux de sockage à chaleur sensble. Quand la décharge d'énerge hermque a leu, la empéraure de la surface de MCP rese proche de la valeur de la empéraure de changemen d'éa. On a donc un conrôle passf de la empéraure de la surface. La quané d'énerge de la décharge ne dépend donc que de la empéraure de l'envronnemen. Le sockage par chaleur laene ne pose pas de problème de surchauffe sasonnère grâce à sa fable masse. 1.4 Les Maéraux à Changemen de Phase (MCP) Généralés Les dfférens MCP e leurs propréés assocés à leurs applcaons spécfques on déjà éé réperorés dans de nombreuses publcaons. On pourra donc consuler ulemen les arcles de revue de Hasnan S.M. [1], Zalba e al. [50] ans que celu de Khudhar A.M. e Fard M.M. [51]. Suvan les propréés des phases obenues, les nveaux de empéraures e les valeurs des chaleurs laenes, chaque ype de changemen de phase (solde/lqude, solde/solde ou lqude/gaz) présene des avanages e des nconvénens. Ces derners son résumés dans le ableau

33 Tableau N 1.1 : Avanages e nconvénens comparés des dfférens changemens d'éa Changemen de phase Avanages Inconvénens Lqude/Gaz Grande valeur de la chaleur laene Grand changemen de volume Solde/Solde Fable changemen de volume Pas de formaon de flude Fable valeur de la chaleur laene Solde/Lqude Fable changemen de volume Valeur moyenne de la chaleur laene Ces consaaons amènen les remarques suvanes [21]: Le changemen de phase lqude/gaz me en jeu les plus grandes chaleurs de changemen d éa mas l présene un grand changemen volumque, ce qu rend les applcaons peu praques e pose un problème de sockage qu peu êre crucal. Pour conourner de problème, la phase gaz peu êre sockée par absorpon (H 2 O/L Br), adsorpon (H 2 O/zeole, CO 2 / carbone acvé) ou réacon (NH 3 / sels). Ces sockages présenen quelques nérês spécfques comme de fonconner à la empéraure ambane. Mas ls on des nconvénens comme la complexé, la oxcé, la corroson avec le coneneur e le beson d une grande effcacé d échange hermque. Dans le cas d'un changemen de phase solde/solde, le maérau absorbe e cède la chaleur comme dans le cas solde/lqude, mas ne deven jamas lqude sous les condons normales, l deven alors plus ou mons dur. Ce avanage es largemen compensé par les fables chaleurs laenes e par la dffculé de rouver des nveaux de empéraures de changemen d'éa compables avec les applcaons. Le changemen de phase solde/lqude me en jeu des chaleurs laenes d'mporance moyenne mas ne présene pas de changemens de volumes ncompables avec un sockage facle. De plus, l exse un chox mporan de maéraux don les nveaux de empéraures de changemen d'éa on des valeurs compables avec de nombreuses applcaons. C'es ce ype de changemen de phase que nous reendrons par la sue Quelques phénomènes ayan un mpac sur l'effcacé du sockage a- La surfuson Quand on refrod un lqude, on n observe pas en général la soldfcaon au momen où on aen la empéraure de fuson. Le maérau peu reser à l éa lqude jusqu à pluseurs dzanes de degrés au dessous de la empéraure de changemen d éa. Lorsque la soldfcaon se déclenche, elle dégage de la chaleur e s la masse de lqude es assez grande e les échanges de chaleur avec l exéreur fables le déclenchemen de la soldfcaon provoque une remonée de la empéraure du maérau jusqu à la empéraure de changemen d éa. Ce phénomène rédu l effcacé hermque des unés de sockage par chaleur laene par rappor à ceux par chaleur sensble. En effe, la décharge de la chaleur (pendan la soldfcaon) a leu à des empéraures nféreures de celles où le sockage de cee chaleur a eu leu. On a donc une dfférence enre la chaleur absorbée pendan le chauffage e celle resuée pendan le refrodssemen. 12

34 b- La surchauffe La surchauffe d'un corps es le réchauffemen de ce corps après son changemen d'éa (réchauffemen de la phase lqude après la fuson du corps, de la phase vapeur après la vaporsaon du corps). S cee surchauffe s'effecue pendan une coure durée, elle n'es consdérée que comme une chaleur sensble supplémenare sockée dans le sysème. S elle s'effecue pendan une longue durée, le sockage par chaleur laene perd l'essenel de ses avanages par rappor au sockage par chaleur sensble. c- La dlaaon Pendan le changemen de phase de solde à lqude, le maérau change de densé e donc de volume. Cec peu poser problème dans quelques applcaons en parculer quand on ulse un coneneur fermé qu do supporer l'augmenaon de presson Chox d'un MCP La premère queson qu peu se poser concerne l'ulsaon de l'eau comme MCP. En effe, l'eau a d'excellenes propréés de chaleur laene ( 1.3.1). Cependan, avec l'eau, nous sommes lmés aux empéraures de 0 C ou 100 C (à presson amosphérque) e de nombreuses applcaons nécessen d'aures nveaux de empéraures. Des crères von donc êre défns pour facler le chox d'un MCP pour une applcaon donnée [3]. - Consdéraons hermques - le nveau de la empéraure de changemen de phase qu dépend de l'applcaon, - la valeur de la chaleur laene de fuson ( >130 kj / kg pour êre compéf), - une grande conducvé hermque pour des cnéques de charge e de décharge rapdes, - une fable presson de vapeur pour mnmser les problèmes de enue en presson des sysèmes de sockage. - Propréés physques - un fable changemen de volume lors du changemen d'éa pour le dmensonnemen du sockage e sa enue à la presson, - une grande masse volumque pour que le MCP pusse réalser un sockage suffsan dans le volume le plus fable possble, - une fuson congruene lors de l'ulsaon d'un corps composé. - Consdéraons cnéques - des cnéques de charge e de décharge rapdes, - pas de surfuson qu déru la cnéque e alère la possblé de désockage. - Consdéraons de sablé e de compablé avec les aures maéraux - sablé du corps lors des cyclages hermques - compablé avec les maéraux du réservor de sockage pour chaque phase pour éver ous les problèmes de corroson, de réacvé chmque ou élecrochmque. - Consdéraons chmques: - sablé chmque des corps avec le emps e avec les nveaux de empéraure, - un bon aux de crsallsaon, - nnflammablé, 13

35 - non-oxcé. - Consdéraons économques - un coû rasonnable, - une bonne dsponblé Les Maéraux à Changemen Phase courammen ulsés Les MCP décrs seron donc unquemen des corps avec changemen d'éa solde/lqude dans la gamme de empéraures consdérée. On peu classer les MCP courammen ulsés selon ros caégores : 1- Les corps norganques: hydraes salns, sels, méaux, allages. 2- Les corps organques: paraffnes, corps non paraffnques, polyalcools. 3- Euecques de corps norganques e/ou organques. Cee classfcaon es effecuée en comparan les ordres de grandeur des énerges spécfques pouvan êre sockées. Une elle comparason es effecuée sur le ableau 1.2 Tableau N 1.2: Comparason enre dfférens mleux de sockage de l énerge (Energe sockée =10 6 kj = 300 kwh; T=15K) [1] Les maéraux de sockage de la chaleur Le sockage par la Les maéraux à changemen de chaleur sensble phase Propréés Perre Eau Organque Inorganque Chaleur laene de fuson [kj/kg] Capacé hermque massque [kj/kg K] * * ,0 4,2 2,0 2,0 Masse volumque [kg/m 3 ] Masse nécessare au sockage de 10 6 kj [kg] Masse relave ** ,25 1,0 Volume nécessare au ,6 2,7 sockage de 10 6 kj [m 3 ] Volume relaf ** ,5 1,0 *La chaleur laene de fuson n es pas concernée par le sockage par chaleur sensble. **La masse e le volume relafs son basés sur la chaleur laene de sockage des MCP norganques Les hydraes salns Généralés Ce son des composés obenus par mélange d'un sel e d'une quané d'eau en prncpe parfaemen défne. Un des plus connus es celu obenu par mélange de chlorure de sodum 14

36 e d'eau e qu forme l'hydrae NaCl, 2 H 2 O (Annexe 1). Ils représenen un groupe mporan de MCP e sans doue le plus éudé. Ils on les caracères suvans [20]: - Une grande chaleur de fuson par uné de volume, - Une grande conducvé hermque (envron le double de celle des paraffnes organques), - Une fable varaon de volume pendan le changemen de phase, - Une bonne compablé avec le plasque, - Une cerane oxcé, - Une cerane corrosvé, - Tros comporemens lors de la fuson : fuson congruene, sem-congruene e non congruene (vor Annexe 1), - Un coû varable. Pour ce derner pon, une règle générale es que les hydraes à fuson congruene qu on une grande chaleur de fuson e des pons de fuson convenan aux applcaons du sockage hermque on des coûs élevés conraremen aux hydraes à fuson non congruene. Les problèmes prncpaux concernan la plupar des hydraes salns son [6] : 1. La surfuson (ou sous refrodssemen) : On rae ce problème en ajouan un agen de nucléaon. 2. La ségrégaon de phase : Lorsque la fuson n es pas congruene, on observe une ségrégaon de phase. Pour prévenr ce problème pluseurs echnques on éé esées comme l'ulsaon d'agens épassssans ou de dsposfs de sockages ournans. Comme agen épassssans on ulse de la cellulose, de la fécule, de la scure, du gel de slce, de la slce, ec. Ces ypes d agens épassssans fonconnen ben, mas ls son fnalemen so hydraés par le sel ou décomposés par les bacéres, e ls devennen neffcaces [7]. 3. La pere d eau d hydraaon en répéan le cycle hermque. Ce problème peu êre évé en rajouan une quané d'eau supplémenare dans l'hydrae e/ou en ulsan un sockage parfaemen éanche. 4. Leur caracère corrosf, ce qu les rend ncompables avec de nombreux maéraux ulsés dans les bâmens. Ce derner problème a reçu un débu de soluon en encapsulan les MCP dans des capsules méallques ou de maère plasque. On dsngue la macro-encapsulaon e la mcroencapsulaon. Les macro capsules de MCP [1]: - éven une séparaon de phase rop mporane, - améloren le ransfer de la chaleur, - fournssen une srucure auoporeuse pour les MCP. Pour le sockage de l énerge les sysèmes les mons coûeux son les bouelles plasques ou les boîes en fer blanc. Cependan la corroson peu avor des conséquences désasreuses sur les boîes en fer blanc s leur endu n es pas correcemen applqué. Néanmons l'ulsaon de macro-capsules pour le sockage d énerge dans les bâmens ne semble pas sasfasane. 15

37 Dfférens hydraes salns Les quelques exemples d hydraes salns donnés dans ce paragraphe son pour la plupar rés de l arcle de Josh e al. [6]. a- Sulfae de sodum déca hydrae (sel de Glauber Na 2 SO 4.10H 2 O) Ce hydrae n'es pas cher e facle à obenr. La fuson de la phase solde sable es non congruene à T = 32,4 C. Ce pon de fuson perme de l ulser dans de nombreuses applcaons. Il possède une grande chaleur de fuson h = 252 kj/kg. Par comparason, pour une même quané d'énerge sockée, l nécesse un volume égal à 1/3 de celu de la perre e 2/5 de celu de l eau. Parm ses nconvénens, on peu cer son caracère rès corrosf vs à vs de nombreux maéraux de srucure e sa fable conducvé hermque qu posen le problème du condonnemen. D'aure par, l sub un sous-refrodssemen d'envron C en dessous de sa empéraure héorque de changemen d'éa. Pour y reméder, on rajoue du éra borae de sodum déca hydrae (Na 2 B 4 O 7.10 H 2 O) pour provoquer le changemen de phase à sa empéraure héorque. A la empéraure de fuson du sel de Glauber, 15% du sulfae de sodum rese sous une forme de sel anhydre nsoluble. Ean deux fos plus dense que la soluon saurée la pare anhydre décane e ne parcpera pas à la recrsallsaon sous forme de composé défn lorsque la chaleur sera rerée [7]. Pour prévenr ce effe, un agen d épassssemen es ulsé pour garder l hydrae en suspenson jusqu'à ce qu l pusse se reformer avec sa srucure crsallne de composé défn quand la chaleur es enlevée. b- Chlorure de calcum hexahydrae (CaCl 2. 6 H 2 O) Le chlorure de calcum hexahydrae (CaCl 2. 6 H 2 O) a souven éé consdéré pour le chauffage solare passf. Son pon de fuson es de l ordre de C e sa chaleur de fuson es 170 kj/kg. Son prncpal nconvénen es la formaon de chlorure de calcum érahydrae (CaCl 2.4H 2 O). L hexahydrae a une fuson non congruene que l on peu rendre congruene en ajouan du SrCl 2.6H 2 O. c- Acéae de sodum r hydrae (Na CH 3 COO. 3 H 2 O) La fuson de ce hydrae es à T=58 C e la chaleur de fuson es 170 à 264 kj/kg. Il es adapé au chauffage des locaux e à la producon d eau chaude. d- Hydroxyde de Baryum ocahydrae (Ba(OH) 2. 8 H 2 O) Il a une fuson congruene à T = 78 C avec une grande chaleur de fuson de 301 kj/kg, mas l es foremen alcaln e oxque. Il absorbe le CO 2 de l ar e deven donc nsoluble dans l eau. Il réag foremen avec l alumnum. En laboraore, la crsallsaon se produ en blocs compacs mas quand on ajoue de l'eau supplémenare (plus 6 % en pods) la crsallsaon se produ en pes crsaux. e- Chlorure de Magnésum hexahydrae (MgCl 2. 6H 2 O) e Nrae de Magnésum hexahydrae (Mg(NO 3 ) 2. 6H 2 O) Ces deux sels, avec addfs pour éver la surfuson on éé esés après encapsulaon. Les ess on monré que ces capsules éaen dérues après quelques cenanes de cycles hermques. Des boîes en acer doux avec un endu son recommandées pour leur 16

38 condonnemen. Leur ulsaon es adapée au côé chaud d un sysème de clmasaon à absorpon de vapeur [6]. Sur le ableau suvan [Tableau 1.3] on donne un récapulaf des prncpaux hydraes salns avec leurs caracérsques. Tableau N 1.3 : Dfférens hydraes salns [6] Hydraes salns La empéraure La chaleur de de fuson [ C] fuson [kj/kg] Sel de Glauber (Na 2 SO 4.10H 2 O) 32,4 252 Chlorure de calcum, hexa hydrae CaCl 2.6H 2 O Acéae de sodum r hydrae à 264 Na CH 3 COO.3H 2 O Hydroxyde de Barum ocahydrae Ba(OH) 2.8H 2 O NH 4.Al(SO 4 ) 2.12 H 2 O ,5 Phosphae de sodum dodécahydrae Na 3.PO 4.12 H 2 O Pyrophosphae de sodum déca hydrae sous forme de Capsules (Calorherm 70) Carbonae de sodum déca hydrae Na 2 CO 3.10H 2 O Nrae de calcum éra hydrae Ca (NO 3 ) 2.4H 2 O Les paraffnes Généralés Les paraffnes son des maéraux organques, consués par des mélanges d'hydrocarbures saurés qu eux-mêmes son des alcanes de formule générale C n H 2n+2. Elles son so fabrquées à parr du pérole bru [33] so synhésées à l'ade du procédé Fscher-Tropsch. Après raffnage, elles son nodores, non oxques e sans saveur. Les molécules de ces hydrocarbures saurés peuven se présener sous la forme de chaînes reclgnes (hydrocarbures n-paraffnques) ou peuven présener pluseurs branches (hydrocarbures so-paraffnques) (fgure 1.5). Pour des applcaons de sockage hermque les n paraffnes son les plus ulsées à cause de leur capacé de sockage plus mporane. Les paraffnes néressanes pour le sockage hermque son celles qu son sous forme solde aux empéraures usuelles e elles son qualfées de cres paraffnques. 17

39 Fgure 1.5: Srucure chmque des paraffnes [18]. L augmenaon du nombre d aomes le long de la chaîne carbonée augmene le pods moléculare, ce qu donne une empéraure de fuson e une chaleur laene plus élevée. Par exemple, l augmenaon du nombre des aomes de carbones de C 1 à C 100 augmene la empéraure de fuson de 90,68 à 388,40 K e la chaleur de fuson de 58 à 285 kj/kg respecvemen (fgure 1.6). Fgure 1.6: Tempéraure de fuson des paraffnes en foncon du nombre d aomes de la molécule [18]. On peu donner la lse des prncpales propréés des cres paraffnques : 18

40 - L enhalpe de fuson vare enre 180 e 230 kj/kg. Cee valeur es grande par rappor à celle des aures maéraux organques don la capacé hermque massque es de 2,1 kj/kg.k. En enan compe des deux valeurs (chaleur sensble e chaleur laene), on oben une densé mporane d énerge de sockage. La capacé volumque de sockage de chaleur es 4-5 fos supéreure à celle de l eau. - La surfuson es néglgeable. La presson de vapeur de fuson es fable même à des empéraures relavemen haues. - Elles son sables chmquemen mas l fau les proéger de l ar pour éver l oxydaon. En parculer quand elles son chaudes leur dégradaon es smlare à celle des acdes organques [9]. - Il n y a pas de ségrégaon de phase. - Les cres paraffnques son neres chmquemen (d où le nom paraffne) avec presque ous les maéraux (sauf ceran plasques ou le cuvre). Il y a donc peu de problèmes de corroson avec les paraffnes e leur coneneur. En effe, les cres paraffnques son ulsées pour proéger les maéraux de la corroson (verns de proecon dans l ndusre auomoble). - Les cres paraffnques ne présenen aucun danger écologque. Elle n on pas d effes négafs sur les planes, les anmaux, l eau ou les mcro organsmes. Elles son non oxques e 100% recyclables. - Quelques paraffnes commercales son adapées aux applcaons de l énerge solare. Pour les applcaons dans les bâmens, une paro conenan 3 cm d épasseur de paraffne es l équvalen hermque d une paro en béon de 40 cm. - La masse volumque de la phase lqude des paraffnes vare de 750 à 850 kg/m 3, e celle de la phase solde es de 800 à 900 kg/m 3. La dlaaon volumque es donc envron 15 % pendan le processus de changemen de phase. On peu éver ou au mons rédure ce problème par un condonnemen adapé. - Les paraffnes ordnares son souven des mélanges d hydrocarbures e on un prx rasonnables. En foncon de leur composon, elles présenen des pons de fuson varés. Par conre les cres paraffnques pures son rès coûeuses. Les deux prncpaux nconvénens son les suvans: - Les cres paraffnques présenen une rès fable conducvé hermque (0,18 0,25 W/m K), la moé de celle des hydraes salns. Cee propréé dmnue le aux de sockage /désockage de la chaleur pendan les cycles fuson/soldfcaon. Cee fable conducvé hermque qu es habuellemen un handcap (ben que dans le ranspor de nourrure elle so un avanage) peu êre compensée par une grande surface d échange ou par un condonnemen adapé. - Les cres paraffnques son faclemen nflammables Condonnemen des paraffnes Ben que les paraffnes aen les propréés requses d un MCP leur fable conducvé pénalse la cnéque de charge/ décharge de l énerge hermque. Pour résoudre ce problème pluseurs ypes de condonnemen on éé proposés : nodules, cylndres avec alees ou non e mcro-encapsulaon. Une aure méhode es d augmener la conducvé apparene en ncorporan une marce méallque ou de fbres de carbone [34]. 19

41 Dfférenes cres paraffnques [6] Dans ce paragraphe son donnés quelques exemples de cres paraffnques so pures so en mélange. - n ocadecane (C18H38): cee cre fond à T=28 C e a une chaleur de fuson de 244 kj/kg. - n ecosane (C 20 H 42 ) : sa fuson es congruene à T=36,7 C, la chaleur de fuson es de 247 kj/kg. Le n ecosane e le n ocadecane son rès nflammables quand ls son exposés à une flamme. Ils s oxyden foremen. Ils ne son n oxques, n corrosfs. Ils on une grande conducvé hermque. Ils on éé ulsés par la NASA sur le Lunar Rover. Purs, ces composés son rès chers /118 whe scale cres: ces cres paraffnques son ssues du raffnage du pérole bru. «Pennsylvana-Grade». Elles fon apparaîre deux ransons de phase soldes avan leur domane de fuson (42 48 C). Ces cres on éé soumses à un cyclage hermque (jusqu à 1743 pour un échanllon) sans changemen n de la empéraure de la ranson, n du profl de la ranson. - P 116 : cee cre a une chaleur laene de 210 kj/kg e sa soldfcaon se produ à T=45-48 C. En forme de capsules sphérques, elle a sub 2600 cycles hermques sans se déérorer. Le ableau 1.4 perme d apprécer les varaons des propréés physques de quelques paraffnes en foncon de leur masse moléculare. Tableau N 1.4 : Exemples de propréés physques de paraffnes Paraffnes Téradécane Hexadécane Ocadecane Ecosane Formule C 14 H 30 C 16 H 34 C 18 H 38 C 20 H 42 Tempéraure de fuson [ C] 5,5 16, ,7 Enhalpe de fuson [kj/kg] Conducvé hermque 0,15 0,15 0,15 0,15 [W/m. C] Capacé hermque massque 2,07 2,11 2,16 2,21 [kj/kg. C] Masse volumque solde [kg/m 3 ] Masse volumque lqude [kg/m 3 ] Reard à la soldfcaon [ C] Aucun Néglgeable Néglgeable Aucun Presson de vapeur [Pa] 133 à 75 C 133 à 105 C 133 à 75 C 133 à 100 C Tenson superfcelle [N/m] 27, ,4 27, _ Vscosé [cp] 2,1 _ 3,4 _ 20

42 1.4.4 Les composés organques non paraffnques Les composés organques non paraffnques ncluen pluseurs maéraux organques comme les acdes gras, les esers, les alcools e les glycols [6]. Hale e al. [35] a recensé au mons 70 composés organques non paraffnques qu on des pons de fuson enre 7 e 187 C. Ces composés on une grande chaleur de fuson e une fable conducvé hermque Acdes gras [10] Les acdes gras son des maéraux ayan pour orgne les hules végéales ou anmales. Les acdes gras on la formule chmque générale suvane : CH 3 (CH 2 ) 2n COOH. Comme l es facle de les mprégner ou de les ncorporer drecemen dans les srucures convenonnelles, ls son consdérés comme de bons canddas pour les applcaons concernan la srucure des bâmens. Sur le ableau 1.5 on donne les caracérsques des acdes gras les plus courans. Tableau N 1.5 : Tempéraure de fuson e chaleur laene de quelques acdes gras [1] Composan Le domane de fuson La chaleur laene Chaleur Chaleur [ C] Mesuré Léraure [kj/kg] Mesurée Léraure massque du massque du solde (C ps ) lqude (C pl ) [kj/kg C] [kj/kg C] Acde caprque - 31, Acde laurque Acde myrsque 50,4-53,6 54 ou ou Acde palmque 57,8-61, Acde séarque 62,2-68, ou ou ou ou ou 209-2, ,07 1, ,90 On remarque que dans le ableau 1.5, l y a pluseurs valeurs de la empéraure de fuson ou de la chaleur laene dans la colonne léraure. Les publcaons référencées ne fournssen pas oujours des valeurs denques. 21

43 Les esers d acdes gras [6], [10] Ces maéraux son produs par une esérfcaon drece des acdes gras séparés des hules végéales. Les esers d acdes gras comme le séarae de buyle, le séarae de vnyle e le méhyl 12 hydroxyséarae peuven êre ulsés pour le sockage passf de la chaleur. Le palmae d sopropyle ans que l sopropyl séarae peuven êre ulsés dans les pays chauds comme maéraux de sockage. Les esers d acdes gras dans leur phase lqude on une enson surfacque de l ordre de dyne/cm. Cee enson es assez grande pour que ces maéraux resen dans la srucure. Ils on une grande chaleur laene e une grande chaleur spécfque (1,9 2,1 kj/kg K) pour absorber la chaleur sensble. Le changemen de volume es néglgeable. Ils son sables chmquemen, non corrosfs e non oxques. Ils on d excellenes caracérsques de fuson/soldfcaon sans sous-refrodssemen. Ce derner pon leur donne un avanage mporan en an que MCP [10]. Leurs pons de fuson les renden apes aux applcaons de chauffage Concluson Les composés organques paraffnques e non paraffnques semblen offrr plus d avanages que les hydraes salns. Leur prncpal nconvénen es d avor une fable conducvé hermque. Sur le ableau 1.6 son résumées quelques propréés physques de composés organques non paraffnques. 22

44 Tableau N 1.6 : Quelques propréés physques de cerans composés organques non paraffnques Composés organques Polyéhylène Acde Trséarne Glygol (PEG) crque Formule HOCH 2 (CH 2 ) n OH CH 3 COOH (C 17 H 35 CO 2 ) 3 C 3 H 5 Tempéraure de fuson [ C] Enhalpe de fuson [kj/kg] Conducvé hermque [W/ m C] Capacé hermque massque [kj/kg C] Masse volumque lqude [g/cm 3 ] , ,16 0,18 2,26 2,04 1,1 1,05 0,862 Reard à la Aucun 15 Aucun soldfcaon [ C] Presson de vapeur [Pa] 0, à 100 C 1520 à 20 C 133 à 105 C Tenson superfcelle 44, , [N/m] Vscosé (cp) 11,5 1,31 18, Euecque Les euecques son des mélanges de deux ou pluseurs corps qu, par défnon, on des empéraures de fuson précses. Ils on un comporemen smlare au comporemen des hydraes salns à fuson congruene. Les euecques on un poenel mporan pour les applcaons de sockage hermque de l énerge. Quelques euecques son ulsés pour le refrodssemen e dans les sysèmes passfs de sockage de l énerge solare. Les euecques son classés en euecques norganques, euecques organques e euecques organques norganques. Sur le ableau 1.7, on donne quelques euecques déjà ulsés pour les applcaons de sockage hermque. 23

45 Tableau N 1.7 : Une lse de quelques Euecques [1] Euecques Inorganques Pon de Chaleur laene fuson [ C] de fuson [kj/kg] 49,3% MgCl.6H 2 O + 50,7% Mg(NO 3 ).6H 2 O ,3 Na 2 SO 4 (32,5%)H 2 O(41,4%), NaCl(6,66%), NH 4 Cl(6,16%) 61,5%Mg(NO 3 )6H 2 O + 38,5%NH 4 NO ,1 58,3%Mg(NO 3 )6H 2 O +41,7%MgCl 2.6H 2 O CaCl 2.6H 2 O + CaBr 2.H 2 O Euecques Organques Acdes Caprque Laurque Acdes Palmque Laurque Acdes Séarque Laurque Méhodes de condonnemen des MCP dans les applcaons de sockage hermque Rappelons quelques prncpes pour le condonnemen des MCP: - Le maérau du réservor de sockage do êre compable avec le MCP. - Quand le MCP deven lqude, le lqude ayan une fable vscosé le aux de fue es foremen augmené e le réservor de sockage do assurer l éanchéé. - Le changemen de phase produ un changemen de volume ; ce changemen peu casser le coneneur s ce coneneur ne peu pas absorber le changemen de volume. Il exse de nombreuses echnques pour condonner les MCP [11], [12]: 1- Les macro-capsules. Elles peuven êre consuées de sacs, bouelles de plasque, ec.. Il exse des procédés ndusrels qu ulsen le condonnemen dans des sphères de maère plasque ou nodules [4] (fgure 1.7). Ces nodules son manufacurés dans ros damères (77-78 e 98 mm) pour des usages respecvemen aux fables empéraures de changemen d éa (-3 à -15 C), aux empéraures nermédares (-3 à 15 C) e à la empéraure de sockage de la glace (0 C). Cerans nodules spécaux on des empéraures de changemen d éa de 27 C. 24

46 Poche d ar Maérau à changemen de phase (MCP) Mélange de polyoléfnes Fgure 1.7: Condonnemen de MCP en nodules [4]. Dans cerans cas, le ransfer de chaleur e les fues peuven poser problème. 2- L ulsaon de mcro-capsules. La mcroencapsulaon es un procédé physque ou chmque qu perme d emprsonner de pees goues soldes ou lqudes dans une coqulle solde de 1 à 1000 µm de damère. Les procédés physques son le séchage de sprays, la cenrfugaon ou l ulsaon de ls fludsés ou des procédés de revêemen dvers. Les procédés chmques conssen en des encapsulaons n-su comme les polycondensaons nerfacales qu condusen à des polyamdes ou des polyuréhanes comme coqulles, des précpaons dues à la polycondensaon de résnes amnées ec La fgure (1.8) décr un procédé de mcroencapsulaon ypque ulsan des résnes de mélamne. Une hule es émulsfée dans l eau dans laquelle une résne mélamne soluble es ajouée. En ajouan un acde, la polycondensaon se produ qu condu à des résnes qu se déposen à l nerface enre les goues d hule e la phase aqueuse. Fgure 1.8: Prncpe d un procédé de mcroencapsulaon [46]. 25

47 Hawlader e al. [52] [53] on développé des expérences e des smulaons pour évaluer les caracérsques e les performances de paraffnes encapsulées dans un agen lan (HCHO) en ermes de rao d encapsulaon (rappor cœur sur revêemen) e de capacé de sockage énergéque. Ils on égalemen effecué des ess de cyclage hermque e on monré que les capsules gardaen leur profl géomérque e leur capacé de sockage après 1000 cycles (fgure 1.9). Fgure 1.9: Vue au MEB de mcrocapsules renferman des paraffnes [52] [53]. De els procédés on éé développés par la frme BASF [46] e son ulsés par le Fraunhofer Insue for solar energy qu développe égalemen des paros légères [54]. 3- Des brquees de polyéhylène à haue densé (PEHD). Le polyéhylène à haue densé es un hydrocarbure alkyle de hau pods moléculare avec une empéraure de fuson e de soldfcaon de 125 à 130 C. Ce derner correspond à un sockage hermque laen de 190 à 210 kj/kg. Le PEHD es alors rradé pour éver l écoulemen lorsqu l es sous forme lqude. Ces brquees peuven supporer au mons 1000 cycles hermques sans changemen des caracérsques de sockage hermque. Des plaques, des barres, des ubes e d'aures formes géomérques du polyéhylène peuven êre obenues suvan leur usage. 4- Des brquees de polyéhylène de haue densé réculé peuven êre mprégnées avec un MCP de empéraure de fuson plus fable. La empéraure de fuson e le sockage hermque ne varen pas après répéon de nombreux cycles hermques. Ces brquees mprégnées peuven êre ncorporées dans les maéraux de consrucon (plâre e béon) en les ajouan au mélange humde du processus. Cee echnque a la préférence de cerans ndusrels (Naonal Gypsum Company) [12]. 5- Un Subsra poreux, comme le plâre, le béon e la mousse, absorban un MCP lqude hydrocarbure alkyl. Le processus d absorpon peu êre effecué en 10 mnues, la durée d absorpon conrôlan la quané de MCP absorbée. Les hydrocarbures alkyl d une chaîne de carbone plus ou mons longue peuven êre absorbés par le plâre e le béon. 26

48 D'aures MCP comme les acdes gras e les esers peuven auss êre absorbés par les maéraux poreux. 6- Le sockage de MCP par absorpon ou adsorpon dans des poudres sèches de slce. C es la méhode la plus récene e la plus unverselle pour condonner les MCP. La slce peu mécanquemen se mélanger avec les MCP. Les hydrocarbures, l eau e les aures MCP peuven êre absorbés e adsorbés dans de la slce fnemen dvsée. 1.5 Les applcaons des MCP dans l'ndusre Le sockage de l'énerge Le sockage de l énerge hermque es à la base de oues les applcaons que ce so dans l ndusre ou dans le bâmen. Par exemple, de la même façon que le sockage par baeres d accumulaeur, l es avanageux d ulser le sockage hermque (so en chauffage, so en refrodssemen) pendan les pérodes où le coû de l énerge prmare es le plus fable ou quand elle es dsponble. On vo donc que les applcaons du sockage hermque son éroemen dépendanes de la source d énerge prmare. S l on a recours à l élecrcé, cee foncon sockage es d auan plus nécessare que son coû es varable suvan les pérodes de consommaon. Les MCP son ben les melleurs canddas pour les sysèmes de sockage hermque grâce à leur grande densé d énerge. Un aure avanage des MCP es que le ransfer de chaleur a leu à une empéraure consane. Cec conven parfaemen aux sysèmes de chauffage e de refrodssemen qu nécessen un conrôle précs de la empéraure. On peu classer les prncpales applcaons sous les rubrques suvanes [4] : - Clmasaon : Aéropors Banques Hôpaux Immeubles de bureaux Palas des congrès Musées Cenres commercaux Salles de specacle - Procédés Laeres Fromageres Abaors Brasseres, maleres Charcueres, salasons Cusnes cenrales-ucp Procédés chme fne - Secours Salles nformaques Salles de conrôle Salle d opéraon Cenraux éléphonques 27

49 - Transpor moorsaon conservaon des produs Parm ces applcaons on donnera l exemple de l nformaque e de l élecronque e on en cera d aures so plus ransversales so n enran pas dans les caégores c-dessus Le refrodssemen élecronque Le condonnemen e la geson hermque des équpemens élecronques son devenus des quesons fondamenales compe enu des nveaux de pussance accrus e de la mnaursaon des dsposfs. Le nombre des recherches récenes, qu concernen l ulsaon de MCP dans les sysèmes élecronques, es en consane augmenaon dû à la naure passve de ces echnques. En effe, l ulsaon d'une echnque passve de refrodssemen a l avanage d'une manenance mnmale e d'une grande fablé. Il n y a pas de pares mobles ou d élémens à remplacer dans les sysèmes proposés. L ulsaon des MCP dans la geson hermque des équpemens nerven acuellemen à ros nveaux : La réalsaon d nerfaces permean de mnmser la réssance hermque enre un composan agssan comme une source de chaleur e le dsposf d évacuaon de la chaleur, La réalsaon de sockages hermques permean d absorber les ransores, Des applcaons spécfques (élémens hermoélecrques, clmasaon de volumes conenan des dsposfs à empéraure conrôlée ) Dans la premère applcaon, les MCP son ulsés comme subsus aux grasses hermques. Ils son ulsés els quels ou sur un suppor généralemen en alumnum ou avec de la fbre de verre pour former un maérau compose. Lorsque le maérau es chauffé l passe à l éa lqude (ypquemen à C) e deux phénomènes mporans se passen : - Les surfaces bagnées par le maérau son «moullées» par le MCP élmnan la réssance de conac - L épasseur du MCP peu décroîre en proporon de la presson applquée e aendre une valeur mnmale. Pusque la réssance hermque es proporonnelle à l épasseur du maérau e nversemen proporonnelle à la conducvé hermque, l es mporan d avor une épasseur mnmale de maérau qu remplsse complèemen les aspérés de l nerface e d avor un maérau ayan la plus fore conducvé hermque possble. La deuxème applcaon concerne essenellemen les ndusres de l nformaque e des élécommuncaons dans lesquelles l es crucal de ne pas nerrompre l almenaon en énerge élecrque. En cas de rupure de l almenaon, un dsposf ven se subsuer au seceur. La ranson se passe généralemen avec producon d un pc d nensé de couran lors de la connexon e/ou du démarrage du dsposf de subsuon (groupe élecrogène, baere d accumulaeurs, ple à combusble, ). La pussance dsspée lors de ce pc es alors absorbée par le MCP qu se resoldfera progressvemen lors du reour au régme normal. Cee geson de la pussance se fa so au nveau du sysème so au nveau du composan lu-même. Ce problème de pcs hermques se rerouve sur les ranssors de pussances 28

50 Flux hermque MCP fondu MCP Solde S Daman 20 µm Fgure 1.10: Schéma de prncpe de la geson hermque d'une puce élecronque avec un MCP. servan de commuaeurs. Par exemple dans cerans ranssors de pussance en carbure de slcum le MCP es placé drecemen en conac avec le maérau du composan (fgure 1.10) [50]. Dans les applcaons spécfques, on peu cer la clmasaon de cabnes éléphonques ou la clmasaon de pèces, de coneneurs ou de boîers conenan du maérel élecronque. Par exemple cerans sysèmes à MCP socken la chaleur de l'équpemen pendan le jour e la ransfèren au o pendan la nu. Ils manennen la pèce ou le coneneur à une empéraure légèremen supéreure à la empéraure nocurne exéreure. Parce qu'un el sysème ne possède aucunes pèces mobles e n'a pas beson de source d'énerge, l es plus fable, pusqu'l n'nrodu aucun ar exéreur e conraremen à un sysème classque, l n'nrodu aucune poussère à l'néreur. Enfn, gardan l'équpemen à une empéraure légèremen supéreure à la empéraure exéreure l perme de conrôler l'humdé dans des lmes accepables. De els sysèmes son manenan éendus aux boîers élecronques lman ans les appors exéreurs d'énerge élecrque. Sur la fgure (1.11) un échangeur permean de gérer la empéraure d un boîer es présené. Le MCP es dans les canaux sués à l néreur de l échangeur. Fgure1.11: Echangeur de chaleur à MCP [22]. 29

51 Dans un aure domane, des essas de couplage de MCP avec la source frode d'un hermoélémen on monré une améloraon sgnfcave des performances d'un sysème de réfrgéraon [38] Aures applcaons Parm les aures applcaons des MCP on peu noer: - L'ulsaon du sockage par chaleur laene pour préchauffer les moeurs à combuson nerne comme les moeurs desel avan l'allumage. Ce sysème fonconne avec le dégagemen de la chaleur pendan le changemen de l'éa de lqude à solde du MCP. Cee opéraon éve un grand nombre d'effes négafs dus au démarrage à frod du moeur comme l'augmenaon de la consommaon du gazole, la grande concenraon de CO e de C n H n dans les gaz d'échappemen [32]. Le MCP fonconne comme une baere de sockage de la chaleur laene. Cee baere es connecée au radaeur, où elle socke une chaleur supplémenare quand le moeur ourne à sa empéraure de fonconnemen. Cee chaleur es ule pour le démarrage à frod suvan e pour une mse en empéraure rapde du moeur. Grâce à l excellene solaon de cee baere, l énerge peu êre gardée pendan deux jours à une empéraure de 20 C à l exéreur [26] (fgure 1.12). Lqude du radaeur MCP Fgure 1.12: Baere hermque auomoble [26]. - L'ulsaon de la réfrgéraon hermoélecrque avec des MCP encapsulés négrés à une dode hermque (hermosphon). S l'ulsaon de MCP amélore noablemen le coeffcen de performance, l'ajou de la dode ne semble d'aucune ulé. Ce sysème peu fonconner en ulsan des énerges renouvelables parculèremen l énerge solare phoovolaïque qu produ l'élecrcé sous forme de couran connu. Ce ype de réfrgéraeur rouve un champ d'applcaon éendu dans le sockage de nourrure e de médcamens. [38]. - Le sockage de frod es devenu égalemen un moyen de gérer les pcs de demande d énerge. Les sysèmes de sockage convenonnels ulsen de la glace à 0 C mas la cnéque d échange hermque es lmée par la réssance hermque de la glace e la capacé hermque des fludes secondares (eau glycolée par exemple). De nombreuses éudes son encore effecuées pour éuder l nfluence de l agen hermque (sel de Glauber, glace), de la alle des réservors d encapsulaon e d aures paramères sur les cnéques [39]. L ulsaon de parcules de polymères hydrophles es égalemen éudée e semble offrr de nouvelles possblés [40]. 30

52 - Texle : Dès l nroducon des vêemens perméables e mperméables, la fonconnalé des exles a prs de plus en plus d mporance. Par exemple, les vêemens de sk ulsen un MCP ncorporé dans le exle. Quand le sporf es en phase acve, le MCP absorbe la chaleur de sa peau e le refrod, alors que lorsqu l n es plus en phase acve, le MCP éme de la chaleur e réchauffe le sporf (fgure 1.13) [26] [56]. Fgure 1.13: Prncpe du exle avec MCP [26]. 1.6 Chauffage des serres avec sockage d énerge à MCP Le bu prncpal d une serre es la possblé d obenr des produs agrcoles à n mpore quelle pérode de l année. Les sysèmes convenonnels de chauffage condusen à la producon de CO 2 don la concenraon dans l amosphère do êre rédue. Des sysèmes de récupéraon de chaleur peuven êre ulsés pour économser le combusble e un bon chox semble êre l ulsaon de récupéraeurs à MCP qu permeen égalemen de socker la chaleur pour un usage nocurne. Enfn, l es néressan de coupler le récupéraeur à MCP à un capeur solare. Les deux sysèmes son schémasés fgures (1.14.a) e (1.14. b) e (1.14.c). 31

53 Serre Récupéraeur à MCP Fgure (a) Récupéraeur sur l ar exéreur. Serre Sockage Fgure (b) Récupéraeur dans lequel le MCP fond quand l ar de la serre es chaud e se soldfe quand l es frod. Serre Capeur solare Fgure (c) Récupéraeur couplé à un capeur solare. A.Kürklü a fa une revue des dfférens sysèmes éudés [30] qu l a classés suvan les maéraux ulsés : - sels mnéraux hydraés (chlorure de calcum hexahydrae CaCl 2. 6H 2 O ; sulfae de sodum décahydrae Na 2 SO 4.10H 2 O). - maéraux organques (Polyéhylène Glycol, PEG ; paraffnes). Les empéraures de changemen d éa peuven varer de 22 à 60 C suvan les sysèmes éudés e la quané de MCP ulsée dépend du sysème de la serre e de sa surface avec un 32

54 mnmum e un maxmum de 4.84 kg/m 2 e 83.3 kg/m 2 respecvemen. Les maéraux ulsés dans les expérences décres son ceux du ableau 1.8 Tableau N 1.8 : Les propréés hermo physques des MCP ulsés dans les applcaons de conservaon de l énerge dans les serres Maère Tempéraure Chaleur λ λ ρ lqude ρ solde Densé de fuson [ C] laene [kj/kg] lqude [W/mK] Solde [W/mK] [kg/m 3 ] [kg/m 3 ] d énerge sockée [MJ/m 3 ] Paraffne ,6 0,167 0, CaCl 2.6H ,540 1, Na 2 SO 4.10H 2 O 32,4 250,0-0, PEG ,5 0, L aueur soulgne la dversé des échangeurs-récupéraeurs ulsés e propose un sysème avec deux ypes de MCP, avec des empéraures de changemen d éa de l ordre de 22 25,5 C pour l un e 8 C pour l aure. Le premer es ulsé pour la réducon des pcs de empéraure en éé e le second pour la prévenon du gel. La fgure (1.15) monre le dsposf expérmenal avec le récupéraeur consué de ubes en polypropylène rempls de sulfae de sodum décahydrae. Néanmons la empéraure de fuson menonnée ne correspond pas à la empéraure généralemen admse (ableau 1.8). Ar en provenance de la serre Mesure de la vesse de l ar Ar enran dans la serre venlaeur Sockage MCP Fgure 1.15: Echangeur récupéraeur pour la geson hermque d une serre. 33

55 Les caracérsques de la serre éudée par A. Kürklü son données ableau 1.9. Tableau N 1.9 : Données echnques de l expérence de A. Kürklü Serre Commenares Talle 200 m 2 couverure plasque MCP Paraffne Fuson à C Chaleur laene de fuson 190 kj/kg Quané ulsée kg 30 kg/m 2 de surface au sol 1.7 Les applcaons des MCP dans le bâmen La noon de confor hermque a- Défnon : Le «confor hermque» es un beson évden e oues les srucures bâes (seceur habable) ou consrues (seceur des ranspors) son équpées de sysèmes permean de réchauffer ou de refrodr le clma néreur. De nombreuses éudes physques ou psychophysques on monré des relaons enre l nensé de la sensaon e celle du smulus. La sensaon augmene en foncon «pussance» de l nensé du smulus, ou de l écar enre le smulus e un seul. Pour les aspecs hermques, la sensaon résule souven de l acvé concomane des capeurs au frod e au chaud. La sensaon globale ans générée donne ou non nassance à l nconfor. Pour ceranes personnes, le confor sera sen dans une zone de n chaud n frod, pour d aures des «frleuses» dans une zone pluô chaude e, pour le rese, dans une zone un peu fraîche. Alors, le confor hermque dépend de l éa physologque désré où les gens peuven ressenr la sensaon de chaud ou de frod [24]. Cee sensaon de confor es conrôlée par les échanges hermques enre le corps e l envronnemen. Ces échanges son, en dehors des pares du corps couveres par les vêemens, essenellemen des échanges convecfs e radafs. Il ne suff donc pas que la empéraure de l amosphère a une valeur ressene comme conforable mas l fau que la peau ne ransmee pas la sensaon de rop chaud ou de rop frod. Cec peu êre vra s le rayonnemen des paros sur le corps crée cee sensaon. Il es donc mporan d avor des paros don les empéraures ne son pas rop élognées de la empéraure ambane. On défn ans une zone de confor dans un dagramme : Tempéraure de paro Tempéraure ambane (fgure 1.16). 34

56 Tempéraure d une closon néreure [ C] Tempéraure de l ar à l néreur de la pèce [ C] Fgure 1.16: La zone du confor maxmal [18]. D'aure par, l amosphère dans une pèce es ressene comme conforable quand l y a peu de varaons de empéraure dans l espace, d un endro à l aure, ou dans le emps so pendan la journée so d une sason à l aure. Pour ces rasons, les masons ayan des murs rès épas son plus conforables: un ceran refrodssemen es assuré pendan l éé e un ceran chauffage pendan l hver. La façon de créer cee sensaon de confor avec un mnmum de consrucon massve es l ulsaon de maéraux conenan des MCP. Ils peuven avor les mêmes propréés que des murs épas par absorpon de la chaleur dans la journée e par décharge pendan la nu, en évan, dans cerans cas, la clmasaon. Les MCP à ulser seron des maéraux changean de phase aux empéraures de confor de l équlbre hermque. Ce processus ade le corps à garder sa empéraure d équlbre dans le cas où les dfférenes srucures subraen un accrossemen ou une pere rapde de chaleur. Le problème fondamenal du développemen du sockage de l énerge par les MCP es donc le chox du domane de empéraures ou la possblé d avor une seule empéraure déale qu réalse le confor dans le bâmen. En chosssan cee empéraure, l fau prendre en compe les faceurs qu jouen un rôle mporan dans la modfcaon de la valeur exace de la empéraure chose. Un des aspecs mporans es que ce changemen dépend du nveau de l acvé physque e de la empéraure exéreure. Quand le nveau des acvés des habans ou la empéraure à l exéreur augmene, les MCP qu son dans l enveloppe commencen à changer d éa pour conserver la sensaon conforable de l équlbre hermque de confor. Par exemple, quand une surface néreure es chauffée à une empéraure supéreure à celle de la pèce, la chaleur sera ransférée par convecon naurelle de la surface à l ar envronnan e par rayonnemen aux aures surfaces de la pèce. Le coeffcen de ransfer de chaleur va augmener avec l augmenaon de la dfférence des empéraures. En oure, le coeffcen d'échange dépend égalemen de l orenaon e de la géomére de la surface. Il es plus dffcle de déermner sa valeur en cas de réchauffemen du plafond que dans le cas des murs e des planchers. En effe le coeffcen de ransfer de chaleur équvalen dû au rayonnemen ne dépend pas de l orenaon de la surface, alors que sa valeur en convecon es assez dfférene suvan qu'l s'ag d'un mur vercal ou de plafond [5]. La présence d un MCP perme de s affranchr, dans une cerane mesure, des varaons des empéraures de paro. 35

57 L expérence a monré égalemen que les closons doubles à MCP peuven garder la empéraure de la pèce près des lmes les plus élevés de confor sans fare appel à un refrodssemen mécanque, e que pour garder ce confor pendan la nu, l ulsaon de la venlaon ade à décharger la chaleur laene des closons. b- Obenon du confor hermque à l ade de MCP Le confor hermque peu êre obenu par des moyens passfs ou acfs. Les moyens passfs son lés essenellemen au sockage hermque dans la srucure des bâmens. Ils son décrs par alleurs. Les moyens acfs concernen le ransfer de l énerge sockée par alleurs par les MCP. Sur le ableau suvan [ableau1.10] on résume les applcaons poenelles du sockage hermque à l ade de MCP. Tableau N 1.10 : Applcaons poenelles de sockage de l énerge hermque par les maéraux à changemen de phase [1] Méhode d'ulsaon du Applcaon L objecf Le seceur MCP Sockage par MCP répar Chauffage e Consommaon Tous dans la closon (plâre, condonnemen heures creuses cmen, PVC, mousse, verre, d'ar des locaux e conservaon nds d abelle) Chauffage élecrque avec sockage MCP Sockage MCP dans les ganes aéraulques pour le chauffage e la clmasaon Préchauffage d'ar à MCP pour Pompe à chaleur Chauffage locaux des Chauffage e condonnemen d'ar des locaux Chauffage locaux des Murs rdeaux Chauffage des locaux Chauffe-eau avec le sockage par les MCP Chauffage l eau de Consommaon heures creuses e conservaon Consommaon heures creuses Consommaon heures creuses e conservaon Conservaon Consommaon heures creuses Résdenel, commercal e nsuonnel Commercal, nsuonnel e ndusrel Résdenel, commercal e nsuonnel Commercal, ndusrel e nsuonnel Résdenel, commercal e nsuonnel La réglemenaon hermque Les résulas ssus de cee noon de confor hermque doven égalemen êre en conformé avec la réglemenaon. D après cee dernère un bâmen résdenel ou non résdenel devra sasfare à ros exgences [41]: Sa consommaon d'énerge do êre nféreure à celle d un bâmen ayan des caracérsques hermques de référence (solaon, sysème de chauffage, de venlaon,.). 36

58 En éé, la empéraure néreure do êre nféreure à celle d un bâmen ayan des caracérsques hermques de références (proecon solare, possblé d ouvrr les fenêres,..). Les caracérsques de l solaon hermque des paros e des équpemens de chauffage, venlaon, clmasaon, eau chaude sanare, éclarage e de proecon solare doven présener des performances mnmales. Il es égalemen nécessare de respecer les normes de sécuré. - Les maéraux ulsés doven permere une enue au feu respecan les normes, c es la rason pour laquelle on nrodu des addfs qu rearden l nflammaon. On consdère qu l y a ros caracérsques essenelles : la vesse de la flamme, le développemen de la fumée e le aux de chaleur dégagée. Hawes e al. [13] on explqué le ype de ess e donné les prncpes des méhodes sandards (aux USA e au Canada) pour eser l nflammablé. - les maéraux ne doven pas émere des composés chmques volals nocfs. On a monré que le séarae de buyle par exemple ne condu pas à des émssons dfférenes de celles de maéraux radonnels. On mnmse ce problème en ulsan des paraffnes comme MCP. En résumé, la défnon des paros (murs, closons) conenan des MCP devra donc - augmener ou conserver la noon de confor par rappor à une paro radonnelle, - permere le respec des réglemenaons, - avor un coû accepable Le chauffage par le sol [29] Comme le plancher es une pare mporane de l enveloppe du bâmen, l éa néressan de développer un sysème de plancher chauffan. Acuellemen, un el sysème es le mode de chauffage le plus conforable qu éme une chaleur douce e agréable, slenceusemen, sans occuper l espace e avec oue la sécuré désrée Les condons de confor Le sol permean une grande surface de chauffage, les condons de confor hermque son plus facles à réalser. En effe, avec un el chauffage les gradens de empéraure dans une pèce peuven êre mnmsés. Dans le sens horzonal, l es plus conforable d avor une source de chaleur unformémen dsrbuée que d avor une source locale de empéraure élevée e de dsrbuer la chaleur par convecon ou rayonnemen (fgure 1.17.a). Dans le sens vercal, l a éé monré que la empéraure déale au nveau du plancher éan 24 C e à 19 C à une haueur de 1.7 m. Ces condons son plus facles à obenr à l ade d un chauffage par le sol qu à l ade de radaeurs ou conveceurs placés sur les paros qu peuven créer une surchauffe de l amosphère près du plafond ( fgure 1.17.b). D aure par, l es plus renable de produre la chaleur au nveau de empéraure demandé pluô que d avor à la dmnuer pour la dsrbuer. De plus des empéraures de fable valeur permeen d avor des condons de sécuré accrue. 37

59 a- le chauffage par un radaeur b- le chauffage par le sol Fgure 1.17: Dsrbuon de la chaleur dans une pèce en ulsan [18] a- le chauffage par un radaeur convenonnel b- le chauffage par le sol Les sysèmes radonnels de chauffage par le sol ulsen so des fludes chauds crculan à l néreur de ubes so des réssances élecrques ncorporées à la dalle. Ils présenen deux nconvénens : la empéraure au cœur de la dalle do êre de l ordre de 30 C e pour le chauffage élecrque l es dffcle de profer des arfs «heures creuses» pusqu une dalle radonnelle ne perme que de socker la chaleur sensble. Un sysème à MCP perme de reméder à ces deux nconvénens pusqu en chosssan la empéraure de changemen on réalse une empéraure de surface déale ( 22 à 26 C) e pusque l on peu socker la chaleur laene pendan les heures creuses. Un plancher à MCP aura de plus un caracère auorégulaeur pusque s la empéraure de la pèce dépasse la valeur prévue, l émsson de chaleur par le sol dmnuera Technologes exsanes Une des echnologes exsane ulse un MCP njecé dans des capsules de formes conques. Ces capsules son en polyéhylène haue densé/ PVC hermoformé e son hermquemen scellées avec une feulle de polyéhylène / PVC/ polyeser alumnsée [29]. Ce sysème perme une manpulaon asée e combne à la fos une bonne conducvé hermque e une grande surface d échange pour une quané de MCP donnée (fgures (a) e (b)). Des capsules son fournes sous la forme d une bande qu es posée drecemen sur l solan, ce derner peu êre oms dans les dalles néreures. Les ubes ou les câbles passen enre les capsules conques. Le chox de ubes ou de câbles élecrques dépendan de la source 38

60 d énerge chose (chaudère, chauffage solare, élecrque, récupéraon de chaleur perdu, ). Ce sysème semble présener un ceran nombre d avanages : le coû, la dsponblé, une manpulaon e un enreen asés, la possblé d ulsaon dans le neuf ou l ancen. Le MCP ulsé es un hydrae saln mnéral don la empéraure de changemen d éa es de 29 C. Fgure (a) Fgure (b) Fgure 1.18: Capsules conques conenan un MCP applquées au chauffage par le sol [57]. Un deuxème sysème ulse des MCP encapsulés se présenan sous la forme de granulas [18]. Le MCP ulsé es une paraffne. Le sysème es consellé pour le chauffage élecrque. Les câbles chauffans son dsposés sur l solan e une couche de granula es dsposée par dessus. L ensemble es recouver d une fbre plasque e d une dalle de béon de fable épasseur ( ~ 2 cm ) fgure (1.19) [18]. Fgure 1.19: Chauffage par le sol ulsan les MCP [18]. Un rosème sysème ulse la mcroencapsulaon décre en C es le cas des closons ulsées par la frme BASF [46]. 39

61 1.7.4 Clmasaon Le sockage hermque à des fns de clmasaon a égalemen éé éudé. Dès 1990, Vandn [64] a éudé les crères économque du chox d un sockage pour un sysème de venlaon e de condonnemen d ar. Plus récemmen, des paros (planchers ou plafonds) on éé développées pour rafraîchr l ar venlé dans les pèces [69] Façade couplan effe de serre e MCP La façade vrée es consuée de pluseurs vrages placés devan des brques en polypropylène conenan du MCP. La lumère solare es absorbée par le MCP après passage au ravers de ros vres (fgure 1.20). Le MCP fond pendan la journée e se refrod duran la nu. La présence de pluseurs vrages éve les peres vers l exéreur. De même, une vre don la surface es consuée de prsmes lme les surchauffes du MCP en renvoyan la lumère lorsque le solel es hau sur l horzon (> 40 ). De plus, compe enu des propréés du MCP les élémens son ranslucdes [75]. Fgure : Façade vrée couplée à un MCP [75] Fenêres à MCP L ulsaon d unés de chauffage e / ou de clmasaon (cenralsée ou non) représene une soluon pour le confor hermque mas condu à des coûs d nvesssemen e de fonconnemen mporan. D un aure côé, l ulsaon de echnques de chauffage e / ou de clmasaon passves nécesse des modfcaons coûeuses d nsallaons classques ayan un aspec eshéque pas oujours accepé. Pour reméder à ce problème, Ismaïl e Henrquez [28] on proposé un sysème de fenêre ulsan un MCP. La fenêre es consuée de deux vrages enre lesquels peu crculer le MCP (fgure 1.21.a). Le MCP lqude es nrodu dans l nervalle enre les deux vrages par l nermédare d une pompe qu es acvée pour une dfférence de empéraure donnée (fgure 1.21.b). Les aueurs on mesuré la ransmance e la réflecance des doubles vrages avec dfférenes épasseurs d nervalles rempls de MCP. Ils on ms en évdence une fore réducon du rayonnemen ulra vole e nfra rouge ou en gardan une bonne vsblé. Ils on égalemen développé un 40

62 modèle numérque à une dmenson, de ce ype de fenêre qu a monré la capacé du MCP à rédure les peres ou les gans de chaleur enre l néreur e l exéreur. Ils on égalemen proposé de colorer le MCP e monré que la couleur vere éa la plus effcace. (1) (2) (3) Verre Phase solde Phase lqude Verre MCP Fgure 1.21.a : Prncpe d une fenêre double vrage ulsan un MCP. Rayonnemen solare Thermocouple Réservor MCP Conrôle Pompe Fgure 1.21.b: Dsposf pour l éude d une fenêre double vrage avec un MCP. 1.8 Les paros à MCP Analyse du problème Les bâmens ayan une maçonnere radonnelle présenen une grande nere hermque (sockage par chaleur sensble) e produsen une cerane clmasaon naurelle des pèces. Dans les bâmens modernes, aux Eas Uns e au Canada en parculer, la majoré des bâmens résdenels ulsen une consrucon de fable coû ayan une fable nere 41

63 hermque. La dmnuon de la capacé hermque du bâmen peu êre compensée en combnan les maéraux de consrucon avec les MCP. Le MCP ncorporé aux murs ou aux closons perme au sockage hermque d êre pare négrane de la srucure du bâmen e auss de socker l énerge sans changemen de la empéraure de l enveloppe de la pèce. Cee ulsaon des MCP dans la srucure des murs perme d obenr presque la même quané de chaleur sur une sason que des murs radonnels mas avec une épasseur de paro ben plus fable. L nconvénen es que les MCP ulra purs on un coû prohbf pour les ulser pour le chauffage e la clmasaon. Dans une paro à MCP, le maérau peu changer d éa sous l nfluence de la empéraure exéreure ou de la empéraure néreure. La empéraure exéreure sub des varaons sasonnères e des varaons quodennes. Un des problèmes de l archecure passve es d aénuer les effes de ces varaons sur la empéraure néreure en sockan ou désockan l énerge hermque accumulée. D aure par, pour les closons néreures, les empéraures de deux pèces vosnes peuven neragr. L analyse hermque d un mur ou d une closon à MCP devra prendre en compe : 1) La naure du MCP, en parculer la empéraure de fuson du MCP. Les MCP pour closons seron ceux qu on des pons de fuson e de soldfcaon aux empéraures qu réalsen le confor hermque avec le prx le plus fable possble sa chaleur laene. La chaleur laene devra êre la plus élevée possble pour ulser le mons de maéraux possble. les propréés hermophysques des maéraux. Parm les propréés hermophysques, la conducvé hermque e la capacé hermque massque son d une mporance parculère. Ces deux propréés doven avor la valeur la plus grande possble. 2) La réparon des MCP dans la paro. Ce problème es mporan. Il dépend des objecfs fxés. - S l on désre éver les surchauffes de la surface exéreure des murs, on placera le MCP proche de la surface exéreure. - S l on désre réguler la empéraure néreure, on placera le MCP près de la surface néreure. 3) Les varaons des empéraures de chaque côé du mur (exéreur ou néreur du bâmen). 4) Les appors convecfs ou radafs. En parculer le coeffcen d échange par convecon naurelle peu êre nsuffsan pour désocker l énerge e l es souven nécessare d ulser des moyens acfs. S l on veu pouvor modélser le comporemen des paros à MCP, on peu consdérer le problème sous ros aspecs en analysan les échanges hermques, le ype de paro e le cycle hermque : 1- Les échanges hermques Ils dépenden du côé de la paro consdéré. Sur le côé exéreur, la surface échange essenellemen par convecon naurelle. Elle échange égalemen par rayonnemen en cas d exposon au rayonnemen solare drec. 42

64 Sur le côé néreur, la surface échange essenellemen par convecon naurelle. Elle échange égalemen par rayonnemen avec les aures paros ou les corps de chauffe. La majoré des paros néreures dans les bâmens acuels ne son pas llumnées par le solel. A l néreur de la paro, la chaleur es ransférée par conducon e ser auss au changemen d éa du MCP. Il es évden que les closons échangen la chaleur essenellemen avec l amosphère néreure. Par conre, des murs de béon peuven échanger à la fos du côé néreur e du côé exéreur. 2- Le ype de paro La paro es consuée d une pare qu socke la chaleur sous forme de chaleur sensble e du MCP qu socke la chaleur sous forme de chaleur laene. Le problème es donc non seulemen de chosr le MCP mas auss de placer les maéraux solans par rappor aux surfaces exéreures e par rappor à la pare conenan ce MCP. 3- Le cycle hermque La geson du cycle hermque es foncon des maéraux ulsés, de la alle du bâmen, du aux de renouvellemen d ar e de sa dsrbuon dans la pèce. Dans cerans pays comme le Canada, la durée maxmale des appors d énerge solare es nféreure à 7 heures avec une fable varaon de empéraure. Pour connaîre les caracérsques d un el cycle hermque Scala e al. [31] on effecué un es à l ade d une paro à MCP avec une varaon de empéraure de 8 C pendan un peu mons de 7 heures e ls on déchargé l énerge hermque pendan la même durée avec la même varaon de la empéraure. Ils on rouvé que la geson de ce cycle hermque éa facle à gérer à l ade d une paro à MCP conraremen à une paro classque avec laquelle on ne peu gérer que des durées plus coures. Le cyclage hermque a éé éudé par de nombreux aueurs mas l éude la plus complèe es celle de Neeper [16] qu ce égalemen les ravaux anéreurs. Il éude ros ypes de paros : Une closon déale suée à l néreur du bâmen. Cee paro déale a une grande conducvé hermque e une capacé de sockage par chaleur laene llmée. Elle es soumse à l nfluence d une varaon (snusoïdale ou carrée) de la empéraure néreure. Une closon soumse à une varaon de empéraure néreure réalse (fgure 1. 22). Un mur exéreur soums à une varaon de empéraure réalse. Il re les conclusons suvanes : - L énerge sockée es maxmale quand la empéraure de fuson es égale à la empéraure moyenne de la paro. - La valeur opmale de la empéraure de fuson T F dépend de la empéraure néreure moyenne qu vare d un bâmen à l aure e d une sason à l aure. Pour les murs exéreurs la valeur opmale de changemen d éa T F du mur à MCP dépend auss de la empéraure exéreure e de la réssane hermque du mur. - L ulsaon de MCP dans l enveloppe du bâmen n alère pas le flux ransms à ravers cee enveloppe. 43

65 La empéraure de la pèce ( C) Moyenne = 21,464 Temps (heure) Fgure 1.22: Evoluon réelle de la empéraure dans une pèce [16]. Sur le ableau 1.11 on présene la quané d énerge sockée pour des varaons de empéraure carrées ou snusoïdales ans que pour la varaon réalse de la fgure (1.22). On remarque que la paro à MCP déale perme de socker au maxmum 28% d énerge de plus que la paro réalse avec 20% de MCP. Tableau N 1.11 : Le sockage durne d une paron néreure d une closon MCP où la empéraure es la empéraure moyenne de la chambre [16] La empéraure Le ype de Capacé Capacé de la pèce [ C] closon laene [kj/m 2 ] (b) sensble [kj/m 2 ] (c ) Sockage Durne [kj/m 2 ] h = 5,67 [W/m² C] Sgnal carré Idéale Illmé 0 697,7 995,0 Snusoïdal Idéale Illmé 0 432,7 633,4 (a) Fgure 1.22 Idéale Illmé 0 411,3 602,1 (a) Fgure % MCP 426,7 78,3 362,2 467,7 (a) Fgure % MCP 192,0 65,2 247,4 255,0 Sockage Durne [kj/m 2 ] h = 8,3 [W/m² C] 44

66 (a) La empéraure de la pèce vare pendan le jour enre 20 C e 25,5 C où la empéraure moyenne es T m =21,46 C. ( b ) Pour une fuson complèe de ou le MCP. ( c ) Pour un changemen de la empéraure de 5,55 C Les méhodes d ncorporaon des MCP On peu défnr quare méhodes économques de condonnemen des MCP dans les maéraux communs de srucure des bâmens [12]. 1- Incorporaon drece de MCP dans le «mélange humde» des maéraux du bâmen. 2- Incorporaon drece par absorpon (mprégnaon) du MCP fondu dans les maéraux poreux du bâmen. 3- Incorporaon ndrece par encapsulaon. 4- Incorporaon drece de MCP dans les revêemens (plasques ou caouchouc). Hawes e al. [2] pour leurs essas on dfférencé ces méhodes suvan le ype de paros Tableau N 1.12 : Méhodes d ncorporaon des MCP. Essas de Hawes e al. [2] Le moyen Paros ulsées Incorporaon drece (En même emps que le mélange) Panneau en plâre (12,7cm) Ajouer le MCP-lqude au mélange Immerson Immerger le panneau dans le lqude de MCP à T=80 C pour quelques mnues. Blocs de béon (200 mm.200 mm.100 mm) Ajouer le MCP en poudre au mélange Ajouer des pes cylndres de MCP au mélange. Ajouer un aggloméra de pré mprégné au mélange. Immerger le bloc dans le lqude de MCP à T=80 C pour une pérode exgée. Encapsulaon _ Macro capsulaon (besons d un développemen) Hawes e al. n on pas ulsé l ncorporaon ndrece par njecon dans des granulas de maéraux placées ensue dans le paro. La comparason de l ncorporaon drece dans le mélange e de l mmerson a monré que [42], [14] : La réssance à la flexon es denque. Les conducvés hermques son comparables à +/- 15% e dépenden du MCP. La durablé après le cyclage hermque es complèemen sasfasane. La compablé avec les penures e les papers pens usuels es excellene. 45

67 Les propréés hermques des MCP nervalle de empéraure de fuson e de soldfcaon, chaleurs laenes ne son pas alérées après l mprégnaon. Les ableaux 1.13 e 1.14 comparen les propréés physques de paros raées avec dfférens aux de MCP organque avec une dsrbuon homogène du MCP dans la paro. [15], [36]. Tableau N 1.13 : Comparason d une paro à MCP avec les valeurs caracérsques du béon e du placoplâre [19] Masse volumque Conducvé hermque Capacé hermque Capacé hermque massque Chaleur laene [kj/kg] [kg/m 3 ] [W/m. C] [kj/kg. C] Paro - La phase 900 0,4 2,5 MCP solde La phase 900 0,3 1,8 17,5 lqude Plâre 900 0,2 0,9 - Béon 2,200 1,6 0,9 - Tableau N 1.14 : Propréés physques d une paro mesurées par Oak Rdge Naonal Laboraory Paro Masse volumque [kg/m 3 ] Capacé hermque massque [kj/kg. K] Conducvé hermque [W/m. K] Convenonnel 696 1,089 0, % MCP 720 1,215 0,187 19,3 16%MCP 760 1,299 0,192 31,0 20%MCP 800 1,341 0,204 38,9 30%MCP 998 1,467 0,232 58,3 Chaleur laene [kj/kg] Les méhodes d ncorporaon ne son pas sans nfluence sur la enue au feu des paros. Selon Scar e al.[12], pour les méhodes d ncorporaon déjà menonnées ( 1.8.2), après gnon ous les MCP organques von connuer de brûler dans une amosphère normale, l expérence monre que : - Dans les processus 1 e 3 où les MCP son ms enèremen en capsules dans un échanllon nnflammable en plâre ou en béon, les maéraux de consrucon son mons nflammables. - Dans le processus 2 où les MCP son absorbés par le plâre (grande concenraon), le placoplâre va connuer de brûler lenemen jusqu à ce que les MCP s épusen. 46

68 Dans le processus 4, le composan obenu par ncorporaon du MCP dans le caouchouc e le plasque va brûler, mas le maérau de polymère joue le rôle de reardaeur avec des addfs approprés Les closons plâre-mcp Généralés Dans l accepon françase du erme, le mo closon es réservé aux paros servan à réalser les dvsons néreures d un bâmen. Cependan dans la léraure anglo-saxone (d Amérque du nord en parculer), les murs son souven de fable épasseur e consrus en maérau léger ce qu peu fare assmler leur srucure à celle d une closon alors que leur usage es celu d un mur exéreur. Cec explque que dans la sue on cera des résulas concernan l nfluence des condons clmaques auss ben néreures qu exéreures sur des paros que nous appellerons néanmons closons. Les closons de plâre à MCP son poenellemen rès effcaces avec un fable prx pour socker l énerge hermque. Cependan un refrodssemen effcace es nécessare pour que la masse reourne à son pon de crsallsaon (dans les lmes de confor hermque). S l on consdère les condons néreures, on sa que les enveloppes habuelles des bâmens modernes on une fable capacé hermque e que la empéraure néreure peu omber faclemen en dehors des condons de confor hermque. La présence de MCP peu l empêcher so d augmener so de dmnuer en arrêan ou en provoquan so la fuson so la soldfcaon [45] Le chox des MCP e le raemen des paros Les prncpales condons que do respecer le MCP son résumées c-après. Pendan le refrodssemen de l espace l fau que les MCP aen une capacé suffsane pour absorber la quané de chaleur nécessare au confor hermque. Il fau égalemen que leurs pons de fuson assuren l absorpon de cee chaleur à la empéraure désrée. Pendan le chauffage, l fau que la capacé so suffsane pour fournr la quané de chaleur nécessare au confor hermque. Il fau donc que les MCP se soldfen en relarguan leur chaleur avan que la empéraure so ombée en dessous du nveau de confor. Ces condons fon qu une pare de la paro es consuée de MCP e que le sockage d énerge hermque se fa à la fos par voe laene e sensble. De plus, c es donc essenellemen le maérau de base (plâre) qu conrôle la dffuson hermque. (Il y a peu de dfférence dans la conducon de la chaleur enre des paros avec ou sans MCP. Le plâre es un maérau qu es compable avec de nombreux MCP. Les hydraes salns (melleurs marchés) on éé ulsés mas compe enu des problèmes de crsallsaon, les références récenes sgnalen pluô l ulsaon de composés organques: Cres paraffnques, acdes gras e esers d acdes gras [16]. On peu cer la sére d hydrocarbures de C15 à C24 qu fourn des empéraures de changemen d éa accepable e en parculer le C18 obenu à parr de la polymérsaon de l éhylène qu a une fuson franche à 23 C 47

69 L ulsaon de composés organques a prouvé son effcacé, comme par exemple dans le cas de paros chargées à l ade de séarae de buyle e analysées par nfra-rouge. L ncorporaon des MCP dans la paro peu se fare : - par mprégnaon Dans ce cas on peu obenr une quané de chaleur sockée supéreure à 350 kj/m 2. - par ncorporaon de capsules Ce ype de raemen a éé effecué par T. Kondo e al. [19] en nséran des bllees de polyéhylène réculé, mprégné d un mélange de paraffnes (C 18 -C 16 ), dans une closon de plâre (fgure 1.23). Ce ype de raemen es compable avec les produs commercaux du bâmen déjà manufacurés. L ulsaon de ce ype de closon es décre au paragraphe (1.9). 12mm 2-3 mm Bllees de MCP nsérées dans le placoplâre plâre MCP absorbé par le polyéhylène réculé C18 : n Ocadecane (95%) C16 : n Hexadecane (5%) Fgure 1.23: Un exemple de closon conenan des MCP [19]. - par fabrcaon de mélange spécaux conenan des MCP Une fos le mélange effecué, on oben des paros ayan des propréés moyennes. On donne dans le ableau 1.15 dfférenes combnasons plâre MCP [15]. On noe la fable valeur des chaleurs laenes moyennes. Tableau N 1.15 : Dfférenes caracérsques de combnason gypse MCP [15] MCP Naure Pon de Pon de Chaleur laene moyenne de fuson [ C] soldfcaon [ C] plâre mprégné [kj/kg] 45-55% Acde caprque laurque Plus reardaeur de feu Buyle séaraes Propyl palmae Dodecanol

70 Une éude effecuée par Feldman e al. [17] monre la possblé d ncorporer un MCP organque comme le buyle séaraes dans un mélange préparé avec des maéraux bons marchés comme le sable, le plâre, la vermcule e une résne de polyeser à l ade d une echnque rès smple. Le compose ans formé peu êre ulsé comme ule ou carrelage pour les plafonds, murs ou planchers e en même emps socker l énerge. La quané de MCP dépend de la composon du compose. On rouve sur le ableau 1.16 ans que sur la fgure (1.24) [17] le résula de l absorpon par quelques maéraux. Tableau N 1.16 : Absorpon du MCP en foncon du maérau de la closon Maère L absorpon de MCP (% en pods) Argle expansée 8 11,6 pour une épasseur oale de 6 12 mm Perre volcanque 14 18,8 pour une épasseur oale de 6 12 mm Charbon de bos acvé 40 Gypse (pâe durce) 40-40,8-42,8 e 50 pour l eau : rao de gypse de 0,5-0,6-0,7 e 0,8 respecvemen Argle 8 Vermcule expansée 300 L absorpon de MCP e le raemen des closons peuven causer un accrossemen du pods jusqu à 22% de leur pods nal, mas ce pods rese dans des lmes accepables pour les ndusrels [2]. La quané de MCP absorbée par les closons peu aller jusqu à 50% de leur pods propre. Il semble que la valeur opmale se sue au vosnage de 25 à 30%. Les closons déjà esées présenen les caracères suvans : - Une durablé sasfasane après le cyclage hermque [2], [13]. La durée du cycle hermque do êre adapée à la capacé hermque. L ulsaon de pluseurs couches ou de couches de composon e d épasseur varables perme de fournr une capacé hermque supplémenare [15]. - Une bonne compablé avec les penures e une bonne réssance au feu [2], [13]. - L adapaon des paros à pluseurs zones don les condons de confor hermque peuven êre dfférenes. Cec peu êre réalsé en ulsan des closons don la charge en MCP es dfférene. - Les pèces ayan des closons à MCP peuven garder les condons de confor hermque pour une durée plus longue qu'une pèce normale grâce à la décharge de la chaleur pendan le processus de soldfcaon. Par exemple, une épasseur de 12 mm d une elle closon a la même capacé de sockage hermque qu un mur de béon de 65 mm d épasseur. 49

71 40 35 Absorpon % mm Argle mm Perre volcanque Charbon de bos acvé Fgure 1.24: Les résulas relafs de l absorpon d un MCP Les murs de béon à MCP Généralés Une mason de béon a, en général, une grande capacé hermque qu rédu l nfluence de la empéraure exéreure e du rayonnemen solare sur les condons néreures. Cee grande capacé hermque perme donc de conserver la chaleur e de dmnuer la alle des équpemens de chauffage e de clmasaon. Elle es égalemen ben adapée au sockage sasonner s l épasseur des murs es suffsane. Pour conserver des volumes d enveloppe rasonnables on peu assocer le béon à un MCP. L ncorporaon des MCP ne do pas alérer les propréés mécanques du béon. Ceranes propréés hermques (conducvé hermque,.) doven reser dans des lmes accepables. Ces dfférenes caracérsques doven reser sables dans le emps e ce, malgré le nombre de cycles hermques subs. Enfn, le nouveau mur ne do pas absorber l humdé e do présener une enue au feu permean de respecer les normes réglemenares. Les MCP ulsés pour êre ncorporés au béon son essenellemen des MCP organques, paraffnques ou non. Parm les non-paraffnques on peu cer ceux lsés dans le ableau 1. 6 Cependan, lorsque la valeur du PH es supéreure à 8.5 les produs alcalns peuven réagr avec les acdes gras e les esers d acdes gras. Le béon éan rès alcaln, de nombreuses expérences on éé condues pour rédure l alcalné e ans d accroîre le nombre de MCP compables avec le béon. Cec peu êre effecué de façon économque en ulsan dfférens 50

72 ypes de pouzzolanes qu ransformen l hydroxyde de calcum en slcae de calcum hydraé sans alérer de façon noable la qualé du béon [8], [25]. Une aure méhode consse à effecuer un condonnemen préalable du MCP (bllees, capsules, ) qu perme de s affranchr de ce problème de compablé. S on compare les blocs de béon avec MCP avec les blocs de béons normaux, on rouve que [2]: - La conducvé hermque vare de +/- 20%, sa valeur dépend de la combnason des maéraux ulsés. - La capacé de sockage de l énerge es d envron 200 à 300% supéreure à celle des blocs normaux. - L ncorporaon amélore la durablé du cycle hermque e rédu l absorpon de l humdé. - L nflammablé es fable e la sablé correce. La durée de la charge e de la décharge hermque pour les blocs avec MCP es deux fos plus longue que les blocs normaux. Cec peu êre un problème. En effe, la fable valeur du coeffcen de ransfer hermque peu demander la présence d une venlaon duran la nu. Cee venlaon rédu la empéraure a l'néreur plus que la présence des MCP [44]. Mas elle amélore le ransfer de la chaleur enre les MCP e l'ar, ce qu amélore l effcacé du MCP Le chox du ype de béon La fore alcalné de la plupar des béons les rend ncompables avec de nombreux MCP en parculer les acdes gras. Il fau donc so chosr un MCP convenable e/ ou rouver le bon ype de béon. Il exse de nombreux ypes de béon qu peuven êre soums aux deux echnques de raemen hermque les plus couranes : l éuvage e l auoclavage [43]. Les essas de compablé effecués par Hawes e al. [25] concernen les béons suvans : Le béon ordnare avec des granulas calcares éuvé à presson amosphérque (Regular, REG, dans la noaon amércane). Le béon léger ulsan des granulas de laer expansés avec des fnes, auoclavé à haue presson. Le béon léger ulsan des granulas d ardose expansés avec des fnes, éuvés à presson amosphérque (EXS). Le béon léger ulsan des granulas de perre ponce, éuvé à presson amosphérque (PUM). a- Béon éuvé Les blocs de béon éuvés à la presson amosphérque vers 80 C subssen des réacons du ype [25] : Cmen Porland + eau = Tr hydrae de Slcae de Calcum + hydroxyde de calcum (3CaO. SO CaO.SO 2 ) + H 2 O 3CaO. SO 2.3H 2 O + 2Ca(OH) 2 (1) 51

73 b- Béon auoclavé Ce procédé demande un auoclave enan à la presson dans lequel les blocs son porés à des empéraures comprses enre 120 e 150 C. La réacon résulane es : Cmen Porland + Slce + eau = Tr hydrae de Slcae de Ca + hydroxyde de Ca + slce (3CaO. SO 2 + 2CaO. SO 2 ) + 4SO 2 + H 2 O 3CaO.2SO 2.3H 2 O + 2Ca(OH) 2 + 4SO 2 (2) 5CaO.6SO 2.H 2 O Il fau noer qu l es nécessare que la slce dove êre en quané suffsane pour que cee réacon se produse. Comparan les équaons (1) e (2), l es clar que les produs qu on éé éuvés à basse presson conennen plus de Ca(OH) 2 e on donc une plus fore alcalné que les produs auoclavés. Hawes e al [8], [25] on éudé le comporemen du béon auoclavé mas compe enu de leur grande ulsaon dans le bâmen, ls on égalemen éudé le comporemen de dfférens béons éuvés ou non. Il fau remarquer que les raemens à haue presson de vapeur donnen un béon dur sable dans lequel les produs d hydraaon son de grandes dmensons e on un fable rera. Des recherches son en cours afn de rouver des moyens praques pour dmnuer l alcalné des béons éuvés. Par exemple, pour rédure les coûs l es d usage d ajouer des pouzzolanes. Cerans ypes de pouzzolanes peuven réagr avec l hydroxyde de sodum e ans rédure l alcalné du béon améloran auss sa compablé avec de nombreux MCP L ncorporaon des MCP Parm les procédés déjà cés, ros on éé prncpalemen éudés : - L ncorporaon drece. - L mmerson (ou mprégnaon). - L nseron de capsules. a- L ncorporaon drece On ncorpore drecemen le MCP au mélange lors de la fabrcaon du béon. C es le procédé le plus praque e le mons cher. Le succès de ce procédé dépend de deux condons essenelles [8]. L nroducon du MCP dans le mélange : - ne do pas nerférer avec le processus d hydraaon. - ne do pas affecer la réssance du lan dans le béon n provoquer de réacon enre les composans du mélange e/ou avec le MCP. Pour ne pas nerférer avec le processus d hydraaon les MCP peuven êre nrodus sous forme solde, so en poudre so en granulés, en prenan garde que leur empéraure ne dépasse pas la empéraure de fuson lors du mélange. Il fau égalemen prévor que la cure du béon n élmne pas le MCP déjà nrodu. b- Immerson Le procédé consse à plonger les blocs de béon dans le MCP lqude. C es un procédé flexble qu perme une producon en sére e qu perme d ulser des blocs usuels. Néanmons cee echnque es plus onéreuse que l ncorporaon drece [23]. Dans ce 52

74 procédé, les échanllons de béon e de MCP on éé porés à 80 C avan mmerson pendan 12 mnues. Les échanllons on ensue éé mmergés à dfférens nervalles de emps (1, 8, 30 e 60 mnues) après la coulée. Les paramères qu affecen l absorpon e la réenon des MCP on éé denfs [23] : - La srucure du béon (porosé, ec ), - La empéraure du maérau e son effe sur la capllaré. - La vscosé du MCP. - La durée de l mmerson dans le MCP lqude. - La surface à ravers laquelle se produ l absorpon. - La presson du lqude. - L effe de la déshumdfcaon. - La polaré de la molécule du MCP. - L âge du béon. Il es néressan de rappeler l nfluence de la srucure du béon e de la empéraure. La srucure ag essenellemen par l nermédare des pores présens dans le béon. La empéraure ag sur le damère des pores e les propréés physques du MCP (enson superfcelle, vscosé). Ans une augmenaon de empéraure augmenera le damère des pores e dmnuera la enson superfcelle, la vscosé e la masse volumque du MCP favorsan sa mgraon dans le réseau capllare consué par les pores. En effe, enre deux empéraures T 1 e T 2 la enson superfcelle vare comme [23]: E la masse volumque comme γ 2 /γ 1 = [(T C -T 2 ) / (T C -T 1 )] 1.2 ρ 2 /ρ 1 = [(T C -T 2 ) / (T C -T 1 )] 1/3 Où : γ 1, γ 2 : la enson surfacque [N/m] à T 1, T 2. T C : la empéraure crque [ C]. ρ 1, ρ 2 : la masse volumque [kg/m 3 ] à T 1, T 2. La monée de lqude dans le capllare es donnée par: où h=2γ /ρgr l es la haueur du lqude conenu dans le capllare [m], γ es la enson surfacque enre le lqude e l ar [N/m], ρ es la masse volumque [kg/m 3 ], r es le rayon du capllare [m], g es la consane de la gravé égale à 9,807 [m/s 2 ]. La profondeur à laquelle se rouve le bloc dans le ban de MCP crée une surpresson qu pousse le MCP dans le béon. Ce faceur peu devenr rès mporan. 53

75 A parr d une équaon donnée, on peu, pour des condons données comme celles de empéraure, de presson e du ype du béon, déermner une consane d absorpon e déermner la quané de MCP qu peu êre absorbée pendan une pérode donnée. Dans leur éude, Hawes e al. on modélsé l absorpon e ren les concluson suvanes [23] : - la modélsaon effecuée perme de déermner la quané de MCP absorbée (donc la capacé de sockage par chaleur laene) du produ. - Les effes de la empéraure on éé modélsés e vérfés. De plus, l a éé éabl que les lasons hydrogène éaen égalemen dépendanes de la polaré du MCP e de la quané de Ca(OH) 2 dsponble. - Le aux de vde a un effe mporan e l es plus grand pour le béon auoclavé. D aure par, la quané de MCP absorbée par le béon dépend du ype de bloc ulsé. Par exemple, un panneau préparé à l ade d un mélange de gypse, cmen, scure e sable avec de l eau, une fos séché e mprégné avec un MCP, a monré que ce mélange peu absorber 30% de son pods en eau. Un el panneau peu êre ulsé auss ben en plancher ou en plafond que pour des murs. Enfn, la empéraure d mmerson opmale dépend du couple béon-mcp e ne do pas êre rop mporane (de l ordre de 80 C), les béons mprégnés absorban mons l humdé que les non-mprégnés. c- L encapsulaon Cee méhode es une varane du procédé d ncorporaon drece. Les capsules doven posséder de bonnes propréés de ransfer de chaleur, doven résser au procédé de fabrcaon, au ranspor, à la consrucon e à l ulsaon. On dsngue la macroencapsulaon e la mcroencapsulaon. La mcoencapsulaon es le procédé physque ou chmque pour obenr des pees parcules lqudes ou soldes de damère de l ordre de 1 à 1000 µm avec une enveloppe solde. E.Jahns [46] a monré que les hydrocarbures paraffnques peuven êre mcroencapsulés avec succès. Ces MCP mcroencapsulés son ben adapés à l ulsaon dans les vêemens alors que leur ulsaon dans les bâmens es encore du domane de la recherche Le chox du MCP Par rappor aux crères déjà défns, l fau rajouer les crères spécfques aux réglemenaons du bâmen comme la oxcé ou la enue au feu. Les prncpaux canddas pour les MCP son les produs organques : paraffnes, acdes gras, esers d acde gras. Les crères de empéraure permeen de défnr les zones suvanes: - Zone de confor hermque (14 25 C). Dans cee zone, le séarae de buyle e le dodécanol peuven êre ulsés pour mprégner le béon. - Zone de empéraure nermédare (30 40 C). Le éradécanol es ben ndqué dans cee zone de empéraure dans laquelle l mprégnaon du béon fonconne meux que dans le cas précéden. - Zone de haue empéraure (53 63 C). Les propréés son les MCP ulsés dans ce regsre de empéraure. 54

76 Des exemples de MCP défns par les ros zones précédenes son présenés dans le ableau 1.17 Tableau N 1.17 : Exemples de MCP ncorporés au béon [25] Formule chmque Nom commercal Fabrcan Séarae de buyle CH 3 -(CH 2 ) 16 -COO(CH 2 ) 3 - (Emery 2325) Nom commercal de (BS) CH 3 Emery ndusrel (mélange de buyle esers d acdes palmque séarque 48 50%) 1 dodecanol CH 3 -(CH 2 ) 11 OH - Aldrch, pureé 98% (DD) Polyéhylène H(OCH 2 - CH 2 ) n OH CarboWax 600 Nom commercal de Glycol (PEG) Unon Carbde 1 Téradecanol CH 3 (CH 2 ) 13 OH EPAL 14 Alcohol Le produ commercal de (TD) Ehyl Corporaon Paraffne (PAR) CH 3 (CH 2 ) n CH 3 Sochem Inc. e Inernaonal Waxes Ld Il fau sgnaler que les paraffnes peuven êre ulsées pour oues les zones de empéraures. L ncorporaon e l mmerson donnen des résulas comparables La sablé du MCP dans le béon On a vu qu un des problèmes posés par l ncorporaon des MCP dans le béon es la compablé du MCP avec le béon. Ce problème es dû en grande pare au caracère alcaln du béon confroné à l acdé de cerans MCP. Les paraffnes, par exemple, ne son pas concernées par ce problème car elles son non réacves e sables e ne nécessen pas de modfcaon du béon. Par conre les esers d acdes gras peuven s hydrolyser suvan la réacon [25]: RCOOR 1 + H 2 O RCOOH + R 1 OH La sablé du couple MCP béon dépend donc du raemen prévenf effecué pour dmnuer cee alcalné. Les moyens ulsés son : - Les raemens hermques (auoclavage par exemple). - L ajou de maéraux qu dmnuen l alcalné. Parm les maéraux addonnels ulsés, on a cé les pouzzolanes (SO 2 e Al 2 O 3, CaO e F 2 O 3 en suspenson). Pluseurs combnasons de béon e de MCP organques son données dans le ableau On remarque la grande varéé de empéraure de fuson qu l es possble d aendre. On remarque égalemen que les plus grandes chaleurs laenes moyennes son obenues avec les béons chargés avec de la perre ponce «rès poreuse» (PUM) pour une empéraure de fuson donnée. Cela es dû à la plus fore mprégnaon de ces maéraux. On 55

77 peu donc conclure que l addon de ces maéraux amélore la sablé e augmene égalemen la possblé de sockage. On peu égalemen sgnaler par alleurs que le béon chargé en perre ponce peu êre assocé avec un MCP ordnaremen foremen réacf (le séarae de buyle, BS). Le ableau 1.18 suvan monre les caracères des dfférenes combnasons des MCP -béon [2], [8]. On noe que les valeurs des chaleurs laenes moyennes son encore plus fables que celles des mélanges plâre-mcp (ableau 1.15). Tableau N 1.18 : Combnason de Béon-MCP Type de MCP Pon de Pon de béon Naure fuson [ C] soldfcaon [ C] Chaleur laene moyenne du béon mprégné [kj/kg] Age* [jours] ABL REG PUM EXS BS BS BS BS 15,2 15,4 15,9 14,9 19,3 20,4 22,2 18,3 5,7 5,5 6,0 5, ABL REG PUM DD DD DD 10,8 5,0 14,9 16,5 9,6 12,0 3,1 4,7 12, REG PUM TD TD 26,2 32,2 32,0 35,7 5,7 12, REG ABL PUM OPC PAR PAR PAR PAR 52,4 53,2 52,9 51,7 60,2 60,6 60,8 60,4 11,9 18,9 22,7 7, * C es l âge de l échanllon après mprégnaon avec les MCP. ABL=auoclave block; REG=regular concree block; PUM=pumce concree block; EXS=expanded shale (aggregae) block; OPC=ordnary porland cemen concree; BS= buyl sereae ; DD= dodecanol ; TD= eradecanol ; PAR=paraffn. 56

78 1.8.5 Modélsaon e smulaon numérque Calcul approché de la empéraure opmale de changemen de phase e de l épasseur des panneaux à MCP d une mason solare Le sockage de la chaleur pendan la journée es rès mporan pour une geson effcace de l énerge dans les bâmens cherchan à opmser le recours à l énerge solare. Des sysèmes permean un capage mporan de l énerge avec une masse hermque nadapée peuven condure à des surchauffes qu se radusen par des besons supplémenares en venlaon dmnuan ans la renablé. Les murs épas son radonnellemen ulsés pour le sockage passf mas la empéraure n es pas oujours suffsammen sable e on peu ulser des paros à MCP. K. Peppo e al. on présené une méhode pour déermner l épasseur opmale de ces paros [9]. MCP Fgure 1.25: Une mason solare avec des panneaux à MCP. La fgure (1.25) monre le schéma d une mason solare capan le rayonnemen solare drec. Un panneau de MCP es fxé à la surface néreure du revêemen de la pèce suée au sud qu joue le rôle d élémen de sockage. Pendan la journée, le panneau absorbe le rayonnemen solare ce qu fa fondre le MCP. Pendan la nu le MCP commence à se soldfer e décharge la chaleur sockée. Les aueurs ulsen une analyse smplfée en supposan que le MCP peu à la fos fondre e se soldfer pendan le cycle durne. Fasan l hypohèse que la conducvé hermque (λ ) du MCP es grande comparée à la convecon λ / D >> h), ls déermnen une valeur approchée de la valeur opmale de empéraure de changemen d éa (T m, op ) e de l épasseur (D op ) : T m, op = T r +Q/ h sor [ C] D op = n h (T m,op T n )/ ( d + n ) [ C] Où : 57

79 D op, l épasseur opmale de MCP [m] ; T r, la empéraure moyenne de la pèce [ C] ; Avec : T d T n Q h Sor T r = ( d T d + n T n )/( d + n ) : empéraure de la pèce pendan le jour [ C]. : empéraure de la pèce pendan la nu [ C]. : chaleur absorbée par uné de surface de la chambre [J /m²]; : coeffcen de ransfer de chaleur enre la surface e l envronnemen [W/m² C]; : durée de cycle hermque de sockage [s] Sor = d + n d : es le emps de charge; n : es le emps de décharge. La quané ule maxmale de l énerge sockée pendan la nu par uné de la surface E Sor [J/m²] es : E Sor = ρ h f D op h f : la chaleur de fuson de MCP [J/kg] Leurs résulas ndquen qu une empéraure de changemen de phase supéreure de 1 à 3 C à la empéraure moyenne de la pèce condu à des échanges hermques déaux Modélsaon d une paro Le mécansme de ransfer de chaleur dans une paro à MCP es complexe. Par exemple dans le processus de la soldfcaon, le MCP présene ros formes (solde, lqude e dphasque). De plus, ous les plâres e les MCP présens dans les pores on des propréés hermques e physques dfférens. Pluseurs éudes son consacrées à la modélsaon de ce problème en ulsan des modèles mahémaques smplfés. A. K. Ahens e al. [47] on raé le cas d une cellule d essa (présenée au paragraphe ) mas on modélsé smplemen une paro en résolvan l équaon de conducon de la chaleur en fasan les hypohèses suvanes (fgure 1.26): - La paro e le MCP ensemble consuen un seul corps don les propréés physques e hermques son unformes (comme : la chaleur spécfque, la densé, la conducvé hermque e la chaleur laene). - Le processus de ransfer de chaleur à ravers la paro à MCP es undmensonnel. 58

80 Rayonnemen solare ransms dans la pèce T Tempéraure néreure Paro à MCP q s h e T e Tempéraure exéreure Paro convenonnelle x o x Fgure 1.26: Schéma d une paro pour le modèle de ransfer de chaleur. Dans leur modèle ls on prs en compe les condons aux lmes nsaonnares, le rayonnemen solare absorbé, la fuson/ soldfcaon du MCP ans que la non-lnéaré du coeffcen d échange. D aures aueurs on auss ulsé de elles hypohèses smplfées comme par exemple J. Kssock e al. [48]. Ils on, en plus de ces hypohèses, calculé le ransfer de la chaleur enre les paros néreures e les paros exéreures e l envronnemen en ulsan des coeffcens de convecon qu ncluen mplcemen l échange de la chaleur par rayonnemen. L équaon de ransfer de chaleur (équaon de Fourer), selon le modèle de A. K. Ahens e al. [47], deven: 2 T ( x, ) T ( x, ) ρ c = λ + x p S 2 Avec les condons lmes suvanes : A x=o : T x, ) λ = h ( )( T T (0, )) + q x (. a ( ) 59

81 à la surface exéreure x= x o : T ( x, ) λ x = h ( T ( x, ) e T e )) Où : ρ : masse volumque [kg/m 3 ]. C p : capacé hermque massque [J/(kg C)]. λ : conducvé hermque [W/(m C)]. h (): coeffcen d échange hermque convecf néreur [W/(m 2 C)]. h e : coeffcen d échange hermque convecf exéreur [W/(m 2 C)]. S : source nerne équvalene due au flux laen [W/m 3 ].. q a (): densé de flux absorbé [W/m 2 ]. : emps [s]. T(x, ): empéraure [ C]. T e : empéraure exéreure [ C]. x : dsance [m]. Le flux laen es consdéré comme une source de chaleur nerne e peu êre modélsé par méhode enhalpque e on écr : df s S = ρ h f d où f s es la fracon solde dans la régon dphasque h f es la chaleur laene de soldfcaon Les valeurs de la chaleur laene h f e le aux de soldfcaon parr de résulas de DSC (Calormére dfférenelle à balayage). df s d peuven êre obenus à Le sysème peu asémen êre résolu à l ade d une méhode aux dfférences fnes explce qu perme d ulser des coeffcen d échange non lnéares e des sources de chaleur dépendan du emps. Le mallage ulsé par les aueurs es représené fgure (1.27). La zone de changemen d éa es dvsée en 13 pares où l on résou l équaon de la chaleur 60

82 Paro Enveloppe T T e Inéreur Exéreur Paro à MCP (13 couches) 13mm Fgure 1.27: Mallage 1D. Isolaon (lane de verre) A ces zones, vennen s ajouer ros zones supplémenares (la paro, l solaon e la couverure) qu son consdérées unquemen comme des réssances hermques ayan une capacé hermque néglgeable. L accord enre les résulas expérmenaux e une héore auss smple es néanmons sasfasan (fgure 1. 28) Tempéraure ( C Temps ( heure) Fgure 1.28 : Comparason des résulas héorques e expérmenaux pour la soldfcaon d un MCP (séarae de buyle) (O. board = paro ordnare ; board Mdl = résulas de la smulaon ; expr= résulas expérmenaux). 61

83 Les chercheurs du Fraunhofer Insue for Solar Energy (Fraunhofer ISE) [54] smulen le comporemen hermque de composans pour comparer les performances de dfférens ypes de paros ncorporan dfférenes quanés de MCP. Ces composans son consués de brques de maère plasque conenan le MCP. Ils ulsen un modèle emprque, valdé pour les ransons de phase par une une expérence ulsan des murs de 0,5 x 0,5 m 2 de surface. Les éudes son faes en foncon de la gamme de empéraure, de la proporon de MCP, de la srucure e de l usage du bâmen. Les hermographes meen claremen en évdence l effe du changemen de phase. Sur la fgure 1.26 on monre quare échanllons de paro avec dfférenes quanés de MCP qu on éé chauffés dans un four don les hermogrammes on éé enregsrés duran le refrodssemen. On dsngue ben la paro qu ava la plus fore quané de MCP (la plus brllane sur la fgure 1.29). Ce ype de mesure ava déjà ulsé par Achard e Ilbzan pour caracérser une paro de plâre conenan une ncluson de MCP [76]. Fgure 1.29 : Thermogrammes de quare échanllons avec dfférenes proporons de MCP [54]. 62

84 1.9 Enveloppes à MCP. Cellules ess Après avor éudé une paro à MCP solée, l es mporan d éuder l ulsaon de elles paros lorsqu elles consuen l enveloppe d un bâmen. Pour ces éudes, on ulse des cellules es e l on compare souven deux cellules, l une avec des paros à MCP, l aure avec des paros normales. Pluseurs aueurs on éudé les performances des MCP sur des cellules ess e on comparé les résulas expérmenaux à ceux obenus par smulaon numérque. D aures on effecué unquemen des smulaons numérques so sur l ensemble des bâmens so sur une pare du bâmen. Dans l éude qu es réalsée pour cee hèse, les deux ypes d approche seron menés Expérence e smulaon de Kondo e al. [19] Kondo e al. [19] on développé un mur à MCP, qu ls on esé e on éudé des cellules es (Fgure 1.30). Fgure 1.30: Paro e cellules es [19]. Ils on égalemen développé un programme de smulaon pour calculer les varaons de empéraure, en parculer de la empéraure de la surface néreure du mur, ans que la charge hermque pour éuder la possblé de conrôler les flucuaons de empéraure. Sur la fgure (1.31) les aueurs comparen par la smulaon numérque, la varaon de la empéraure de la surface néreure en foncon du emps pour pluseurs ypes de mur d épasseurs dfférenes, avec MCP, en plâre ou en béon ordnare. On remarque que ce son les murs conenan le MCP qu présenen les flucuaons de empéraures les plus fables e qu un mur avec MCP de 24 mm d épasseur es comparable de pon du vue hermque à un mur en béon de 160 mm d épasseur. 63

85 Fgure 1.31: Varaons de empéraure obenues par smulaon numérque pour dfférens ypes de murs (PB : Plaser Board, PCM : Phase Change Maeral, RC : Regular Concree) [19] Expérence e smulaon de Kssok e al. [48] Kssock e al. [48] on égalemen réalsé des cellules ess avec des paros à MCP fabrquées par mprégnaon d un mélange d hydrocarbure alkyle. Les cellules ess son de pees dmensons (fgure 1.32) e les aueurs on comparé les résulas obenus sur une cellule de conrôle e sur une cellule avec MCP. L exemple de la fgure (1.33) monre l évoluon de la empéraure néreure dans les deux cellules duran ros jours. Le résula obenu llusre parfaemen l accrossemen de la capacé hermque apparene. Ces aueurs on auss développé un modèle de smulaon numérque ulsan une approche par dfférences fnes. Dans ce modèle, le rayonnemen solare es prs en compe e les équaons aux dfférences fnes éables pour chaque composane du bâmen son combnées avec les appors d ar neuf dans les équaons du blan d énerge m Fgure 1.32: Cellule es ulsée par Kssok e al. [48]. 64

86 1 Tempéraure [ C] Jour 1 - Cellule es de conrôle 2 - Cellule es avec MCP Fgure 1.33: Varaon des empéraures néreures dans deux cellules es avec e sans MCP [48] Expérence à l échelle 1 e smulaon numérque Expérence e smulaon de Scala e al. [31] S. Scala e al. [31] on condu des essas sur une pèce ayan des murs e des closons avec MCP. Ils on comparé leurs résulas avec ceux obenus sur une pèce denque vosne avec des murs convenonnels (fgure 1.34). Paros convenonnelles Paros à MCP Plaque de bos Lane mnérale Plâre 2,29 2,29 2,45 2,27 Thermocouple 0,31 0,61 0,48 1,79 0,48 0,62 0,31 0,15 0,15 4,9 0,0585 0,0095 0,0125 Fgure 1.34 : Schéma des pèces esées par Scala e al. (Les dmensons son en [m]). 65

87 En mode chauffage (par clma frod), l es souhaable que la chaleur so sockée en mons de 7 heures e qu elle so désockée sur une pérode qu ne so pas nféreure à 16 heures e ces aueurs on monré que les emps de charge e décharge hermque observés pendan les essas éaen comparable avec ces valeurs. De la même façon, en mode refrodssemen, le emps duran lequel la chaleur sockée peu êre désockée es d envron 7 heures ands que la pérode duran laquelle la chaleur peu êre absorbée par le MCP pour refrodr le bâmen représene le rese de la journée (fgure 1.35). Tempéraure ( C) Temps (h) Fgure 1.35: Comparason des empéraures nocurnes de pèces ayan des murs avec e sans MCP [31]. Ils concluen en remarquan qu un mur à MCP es néressan à la fos pour les applcaons de sockage de l énerge (heures de pone, ulsaon des rejes hermques ou de l énerge solare) e pour l améloraon des équpemens de chauffage e de clmasaon Expérence de P.Achard [77] Ce aueur a éudé le comporemen d une cellule es de dmensons 5x5x2,5 m 3 ayan une bae côé sud pouvan êre mune de dfférens sysèmes, en parculer de lames mobles à MCP. Ces lames son consuées d une srucure méallque pouvan conenr le MCP e d un solan. Leur orenaon peu êre changée so pour socker le rayonnemen solare, so pour resuer leur chaleur vers l néreur de la cellule. 66

88 Expérence d Ahens e al. Ahens e al. [47] don le modèle de paro a éé décr au paragraphe on réalsé une éude exensve ans qu une smulaon numérque sur une cellule es à l échelle 1 (Fgure 1.36). Les murs avaen du côé néreur un panneau de plâre conenan envron 25 % en masse d un MCP (Séarae de Buyle). Ils on monré que l ulsaon du MCP pouva condure à une réducon de 4 C de la empéraure néreure. Fgure 1.36 : Schéma de la cellule es d Ahens e al. [47] Mason de BASF «hree ler house» [37] La socéé BASF a developpé un nouveau concep de mason pour la rénovaon, économe en énerge e respecueuse de l envronnemen parculèremen aracf. Elle développe égalemen les echnologes spécfques assocées don les plus nnovanes son : - L solaon hermque. L solan es consué de Neopor (polysyrène expansé chargé de graphe). De plus, ce sysème es assocé à un nouveau revêemen néreur qu conen 10 à 25 % de parcules de paraffnes pouvan soker la chaleur laene. La cre es ncorporée dans des mcrocapsules (vor paragraphe 1.4.6), qu peuven êre faclemen ncorporées dans le béon e le plâre. - Les fenêres on un rple vrage, ce qu donne une solaon hermque supplémenare, l espace enre ces couches es rempl par un gaz «noble» (Argon). Le cadre de ces fenêres, en maérau solan, es égalemen fabrqué par BASF (Vndur). Pour le renouvellemen de l ar, l y a un sysème double flux qu peu récupérer 85% de la chaleur de l ar exra. Ceranes masons son almenées par un sysème de ple à combusble. Ce sysème peu converr le gaz naurel en énerge hermque e en élecrcé. 67

89 Ce concep a éé développé pour recondonner des masons exsanes (fgure 1.37) Ces dfférenes echnologes donnen des avanages consdérables aux masons de BASF où un mère carré ne demande que ros lres de foul par an pour le chauffage. Ce concep perme de rédure l émsson de CO 2 jusqu à 80% e de ne consommer que 30 kwh/m 2 e par an, d où le nom «hree ler house». Fgure 1.37: Le concep de BASF (hree ler house) [37]. 68

90 1.10 Concluson Dans ce chapre, on a d abord donné les prncpes e décr les avanages du sockage de l énerge hermque par chaleur laene par rappor au sockage par chaleur sensble. Pus, au ravers de l analyse des dfférenes éudes sur les maéraux à changemen de phase (MCP) on a défn : Les maéraux ulsés e leur condonnemen, Les prncpales applcaons, Le cas parculer des applcaons dans le bâmen. Les maéraux ulsés son de pluseurs ypes e les prncpaux son : Les hydraes salns Les paraffnes Les composés organques non-paraffnques Les mélanges de composon euecque Un des pons les plus mporans es leur condonnemen. Ce derner a évolué en foncon des echnologes dsponbles ou sous l nfluence d éudes spécfques. Il apparaî que la mcroencapsulaon s avère promeeuse. On a ms en évdence la dversé des applcaons pouvan aller du sockage d énerge pour des nsallaons ndusrelles (énerge sockée de pluseurs mllers de MégaJoule) à la geson hermque de composans (quelques mlljoules). L applcaon au cas du bâmen revê une dmenson supplémenare pusque l ulsaon de MCP dans les closons ou dans les murs perme de répondre à deux exgences: La geson énergéque du bâmen, Le confor néreur. On a donné les prncpaux exemples d expérmenaon concernan so l éude de closons ou de murs, so l éude de maquees de bâmen. On a enfn cé une expérence sur l ulsaon de MCP dans une mason exsane. Toues ces expérences on conclu à l nérê d ulser les MCP pourvu que ceranes condons dans la défnon des paros ou dans leur ulsaon soen respecées. 69

91 Chapre 2 Analyse héorque e déermnaon des propréés physques des maéraux 70

92 2. 1 Inroducon Lorsqu un maérau sub un changemen de phase, un des aspecs fondamenaux es l exsence d une nerface moble e la façon don cee nerface se déplace do êre déermnée. Dans le cas d un changemen de phase solde lqude, la convecon naurelle peu jouer un rôle qu ne sera pas forcémen le même dans les processus de fuson e de soldfcaon. La convecon naurelle augmene le ransfer de chaleur e dans nore cas on souhae l éver. De plus, lorsqu elle se produ, la formulaon mahémaque en es complexe car elle nécesse le raemen du couplage enre les équaons de Naver-Sokes dans le lqude e de Fourer dans le solde. Pour des paros conenan des MCP, les dmensons caracérsques son elles que la convecon naurelle es généralemen absene. L ordre de grandeur de ces dmensons sera évalué en débu de chapre. Du pon de vue echnologque, on dsngue ros cas : - le MCP es le seul consuan d une pare de la paro, - la paro es consuée d'un subsra mprégné par un MCP, - le MCP es localsé à l néreur de paslles ou de granulas dspersés dans le subsra de la paro. Dans le premer cas, on peu défnr une nerface de changemen d éa e on pourra écrre l équaon de conservaon de l énerge (ou équaon de chaleur) dans chaque phase. Le deuxème e le rosème cas peuven êre raés à l ade d un formalsme dfféren en supposan que les paslles ou les granulas son de pee dmenson e que l encapsulaon ne crée pas de modfcaon noable des propréés du mélange MCP-subsra. Dans ce cas, l énerge de changemen d éa sera prse en compe par l emplo d une capacé hermque varable. Cependan même lorsque le MCP es le seul consuan l es raremen pur e le changemen d éa s effecue sur une plage plus ou mons mporane de empéraure. On devra alors ulser une capacé hermque varable. On donnera les méhodes de déermnaon de cee dernère. 71

93 2. 2 Esmaon de l épasseur mnmale d une paro conenan un MCP Pour une paro conenan un MCP don l une des faces es solée e l aure au conac avec l amosphère néreure d une pèce, Neeper [16] a monré que, pour une varaon snusoïdale de la empéraure néreure don l amplude es 2,76 C, l énerge maxmale sockable éa de 995 kj/m 2. S cee paro es consuée de PEG conenu dans une enveloppe mnce, on oben une épasseur nféreure à 1 cm pour qu l pusse changer d éa. S la paro es consuée de granulas de paraffne, on oben une épasseur de 4 cm envron. D aure par, l fau que duran une dem-journée, l nerface lqude/solde a le emps de progresser sur oue l épasseur de la paro. On peu avor un ordre de grandeur de cee progresson en ulsan la relaon donnée par Poos [55] qu le l épasseur de soldfcaon x() d un solde sem-nfn au emps Se x( ) = a (2.1) Se + 2 où Se es le nombre de Sephan défn par : C p (TF - Ts ) Se = (2.2) L Sur la courbe de la fgure 2.1, on a représené l évoluon de x() en foncon du emps pour des écars de empéraure de 1 C e 2 C dans le cas de la soldfcaon du PEG. On remarque que sur une dem-journée l nerface progresse de mons d un cm envron pour un T de 1 C e d envron 2 cm pour T= 2 C. Déplacemen de l'nerface Poson de l'nerface (m) 0,04 0,035 0,03 0,025 0,02 0,015 0,01 0, h 2 C 1 C Temps (s) Fgure 2. 1 : Poson de l nerface lqude solde dans le cas de la soldfcaon du PEG. 72

94 On vo donc que dans le cas du PEG une épasseur de l ordre du cenmère es suffsane pour un MCP placé enre l solan e l néreur. On pourra prendre une paro d épasseur un peu supéreure pour avor un coeffcen de sécuré. Dans le cas des granulas de paraffne, l sera mporan que l espace enre les granulas so consué d un maérau bon conduceur de la chaleur. S le MCP es placé du côé exéreur de la paro, celle-c pourra donc êre soumse au flux solare drec. En prenan une valeur moyenne de 400 W/m 2 sur 6 heures on arrve à une épasseur d envron 7 cm. Ce cas ne sera pas envsagé e les paros éudées seron soumses à des flux convecfs de valeurs ben nféreures. Enfn, un des objecfs de ce raval es d ulser des panneaux commercalsés de façon à abasser les coûs. C es la rason pour laquelle nous eserons pluseurs ypes de paros en gardan à l espr les valeurs c-dessus. Les smulaons numérques nous permeron de vérfer ces ordres de grandeur Equaons de base Présence d'une nerface lqude- solde S l on peu consdérer qu l y a progresson d une nerface dans le maérau, on écrra l équaon locale de l énerge (équaon de conducon de la chaleur) pour chaque phase. ( ρ C p ) S T TL ( ρ C p ) L où : ρ es la masse volumque [kg m -3 ] ; S = dv( λ gradt ) + S S = dv( λ gradt ) + S L S L (2.3) C p es la capacé hermque massque [kj kg -1 K -1 ]; T es la Tempéraure [ C, K] ; λ es la conducvé hermque [W m -1 C -1 ] ; les ndces S e L concernen respecvemen le solde e le lqude. Le couplage se fera à l nerface à l ade des condons aux lmes : - Connué de la empéraure T ( x, y, z, ) = T (x, y,z,) = T (2.4) S L F - Blan d'énerge à l'nerface T Τ n S L λ S - λ L = n ρ L v n (2.5) 73

95 où n représene la dérvée à l nerface suvan la drecon du veceur normal n r drgé vers la zone lqude en un pon quelconque de cee nerface, L es la chaleur laene de changemen d éa e v n représene la vesse de l nerface en ce pon dans cee drecon Parcules de MCP dspersées dans un subsra Dans une pare de cee éude, le MCP es ncorporé dans des parcules e ce son elles qu lorsqu elles se soldfen absorben de l énerge sous forme de chaleur laene. Cee énerge es prse en compe : - So par l ajou d un erme source S qu es le produ du aux de chaleur absorbée par parcule par le nombre de parcules par uné de volume de mélange. - So en ulsan une capacé hermque équvalene prenan en compe la chaleur laene absorbée par les parcules. Les deux approches peuven êre lées dans cerans cas où la présence des granulas ne modfe pas sensblemen la drecon de propagaon du flux de chaleur. On consdère que le mélange (subsra plus MCP) es homogène e qu'l possède des propréés hermophysques moyennes. Le changemen d'éa des parcules de MCP produ (ou absorbe) une cerane quané de chaleur prse en compe dans le erme source S. Pour plus de smplcé, nous ne consdérerons que le cas undmensonnel. L équaon de la chaleur s'écr alors: 2 T T ρ e C pe = λe + S(x,) (2.6) 2 x S f es la fracon volumque de MCP solde, la pussance hermque dégagée par uné de volume es f S = ρ L (2.7) où : L es la chaleur laene de changemen d éa [J kg -1 ] ; es le emps [s]. L ndce e sgnfe que l on se réfère aux propréés moyennes équvalenes du mélange Cee expresson peu êre réécre sous la forme S f T = ρ L (2.8) T L'équaon de la chaleur deven alors: 2 T T f T ρ e C pe = λe ± ρ L (2.9) 2 x T les sgnes ± sgnfan que l'on a affare so à une soldfcaon so à une lquéfacon. Cee expresson peu auss s'écrre 74

96 2 f T T ρe C pe m ρ L = λe (2.10) 2 T x Défnssan une capacé hermque massque apparene C ' pe par: ' f ρe C pe = ρe C pe m ρ L ou T C ' pe = C pe ρ f m L (2.11) ρ T e on oben une forme smplfée de l'équaon de la chaleur: 2 ' T T ρ e C pe = λe (2.12) 2 x Cee équaon nécesse la connassance de la varaon avec la empéraure de la fracon solde. On peu conourner le problème en mesuran cee capacé apparene en foncon de la empéraure à l ade d un calormère programmé en empéraure Maérau don le changemen d éa s effecue sur un nervalle de empéraure Les MCP ulsés ne son pas oujours des corps purs. Le changemen d éa s effecue alors dans l nervalle de empéraure [T 1, T 2 ]. Dans ce cas on ulse égalemen la noon de capacé hermque équvalene que l on rele à la varaon d enhalpe. Cec sera développé au paragraphe ( Capacé hermque apparene) Méhodes numérques d analyse Généralés : les dfférences fnes Dans oues les méhodes décres c dessous, nous nous lmerons aux méhodes de dfférences fnes. On peu classer ces méhodes en deux caégores : d une par la résoluon numérque de l équaon de la chaleur e d aure par, l ulsaon des conducances hermques. On verra ensue commen les deux peuven êre couplées Résoluon numérque de l équaon de la chaleur Cee méhode es classque e nous nous conenerons d en explquer les grandes lgnes., j+1, j, k+1, j+1, k , j, j +1, j -1, j, k, j, k +1, j, k, j-1, j-1, k, j, k-1 1D 2D 3D Fgure 2. 2 : Représenaon des nœuds. 75

97 76 Les dfférenelles son remplacées par des dfférence fnes enre les valeurs prses en un nœud, j, k e ses plus proches vosns (fgure 2.2) e enre les valeurs au emps e au emps +. Les dérvées par rappor aux cordonnées x, y, z peuven êre prses so au emps so au emps +. Pour explquer le prncpe des méhodes on se lmera à un problème à une dmenson e on se conenera de donner le résula dans le cas à ros dmensons Méhode explce Dans ce cas, la dérvée seconde par rappor à x es exprmée au emps e perme d obenr une relaon donnan la empéraure T au nœud, so : = + x T T x T T x x T (2.13) dans cee relaon x es la dsance enre deux nœuds vosns. Sachan que sur un nervalle de emps T T a T a = (2.14) l équaon de la chaleur deven : [ ] T T a T T T x = (2.15) On peu alors exrare T au emps + en foncon de T au emps précéden. ) ( 1 ) 2 1 ( 1 1 T T M T M T = (2.16) avec a x M = 2 On monre que cee équaon es sable s M so 2 M ou a x 2 2 On a donc une condon sur les nervalles du emps e de l espace. Cec ne perme pas de résoudre ous les problèmes. Remarquons qu à deux ou ros dmensons on oben des équaons smlares avec des valeurs dfférenes de M (4 e 6 respecvemen).

98 Méhode mplce a - Dérvée seconde exprmée en +. On ulse donc la formulaon suvane : Il n es donc plus possble, d exrare On écr alors : [ T + T 2T ] T T = (2.17) 2 x a T + en foncon de T. ( MT (2.18) M + 2) T T + 1 T 1 = cee équaon es résolue par éraon. Son avanage es que la valeur de M ne peu rendre aucun erme négaf e on peu chosr x e ndépendammen. b - Dérvée seconde exprmée à deux emps dfférens Pour la valeur de la dérvée seconde on chos une moyenne pondérée des deux dérvées prses en e +. Le pods relaf des deux dérvées es fxé par le paramère α ( 0 α 1 ). On oben donc : 1 x [ ( T + T 2T ) + (1 )( T + T 2T )] + 1 T T α = (2.19) a 2 α Avec ce paramère on peu défnr - la méhode explce, α = 1 ; - la méhode mplce classque, α = 0 ; - la méhode de Crank-Ncolson, α = 0,5. Dans ce derner cas, on se conene de donner un pods équvalen aux deux dérvées. Pour un problème à ros dmensons (3D), l équaon de conducon de la chaleur sans source nerne de chaleur s écr en cordonnées carésennes : 1 T a = 2 T 2 x 2 T + 2 y 2 T + 2 z (2.20) 77

99 78 Noan T, j, k la empéraure au nœud, j, k, l équaon aux dfférences fnes s écr = T T a T T T T T T x k j k j k j zz k j yy k j xx k j zz k j yy k j xx,,,,,,,,,,,,,,,, 2 1 ) )( (1 ) ( 1 α α avec k j k j k j k j xx T T T T,,, 1,, 1,,, 2 + = + k j k j k j k j yy T T T T,, 1,, 1,,,, 2 + = + k j k j k j k j zz T T T T,, 1,, 1,,,, 2 + = + e des défnons analogues pour k j xx T +,,, k j yy T +,, e k j zz T +,, Méhode des conducances hermques Dans cee méhode, on assoce un élémen de volume V au nœud. Sa varaon d énerge nerne U en foncon du emps s écr: T C U = avec C = ρ C p V On d que la chaleur es ransférée d un nœud à l aure à ravers les réssances hermques, +1 R e 1, R. On a donc, pour un sysème à une dmenson : 1, 1 1, = R T T R T T T C (2.22) ou ) ( ) ( 1 1, 1 1, T T G T T G T C + = + + (2.23) G,+1 e G,-1 éan les conducances hermques. On pourra donc dscréser en écrvan (2.21)

100 79 T T C T C = + (2.24) Pour obenr l équaon ) ( ) ( 1 1, 1, T T G T T G T T C + = (2.25) Généralsan à ros dmensons on oben l équaon + + = + + ) ( ) (,,, 1,, 1,,,, 1,, 1,,,,, k j k j k j k j k j k j k j k j T T G T T G T C G, j-1,k (T,j-1,k T,j,k ) + G,j+1,k (T,j-1,k T,j,k ) + (2.26) G,j,k-1 (T,j,k-1 T,j,k ) + G,j,k+1 (T,j,k+1 T,j,k ) Dans le cas d un mur plan les conducances peuven êre mses sous la forme - enre le nœud -1 e le nœud x A G k j k j k j + = 2 ) (,,, 1,, 1, λ λ (2.27) Fgure 2. 3 : Elémen de volume enouran chaque nœud. où A es la surface perpendculare à la drecon consdérée (fgure 2.3). - e des formes smlares enre les aures nœuds. -1 A

101 Méhode combnan équaon de la chaleur e conducances hermques S l on réécr l équaon (2.19), on oben : [ ] ) 2 )( (1 ) 2 ( T T T T T T x a T T = α α (2.28) d aure par, d après (2.15) on a l expresson [ ] T T T x a T = + (2.29) e une expresson smlare pour T +. On abou alors à l équaon + = + + T T T T ) 1 ( α α (2.30) on nrodu alors les conducances par ) ( ) ( 1 1, 1 1, T T G T T G T C + = + + (2.31) e l ven, prenan α = 1/2 (Crank-Ncolson) = ) ( ) ( ) ( ) ( 2 1 1, 1 1, 1 1, 1 1, T T C G T T C G T T C G T T C G T T On oben donc une expresson mplce de la empéraure en + en foncon des conducances enre chaque nœud. Cee méhode es parculèremen adapée aux problèmes de hermque du bâmen Déermnaon des propréés physques du mélange Masse volumque : Dans le cas où le MCP es un mélange, la masse volumque es calculée à parr d un smple blan de masse : ss v M v e C C ρ ρ ρ ) 1 + ( = (2.33) avec (2.32)

102 ρ e : masse volumque équvalene du mélange ; ρ M : masse volumque du MCP ; ρ ss : masse volumque du subsra (plâre) ; C v : la concenraon volumque en parcules Conducvé hermque Pluseurs cas son à envsager suvan la façon don es ncorporé le maérau à changemen de phase Maérau compose granulare a- Calcul héorque De nombreuses relaons on éé déermnées pour reler la conducvé d'un maérau compose granulare aux conducvés e aux fracons volumques des composans. Le plus smple des modèles ulsés suppose une dsrbuon smple des composans par rappor à la drecon du flux de chaleur. Une dsposon des composans en parallèle condu à la réssance hermque mnmale e à une conducvé effecve maxmale donnée par: λ = C λ + (1- C ) λ (2.34) e v M v ss D'aure par, une dsposon en sére condu à la conducvé mnmale suvane: λ e ss M = (2.35) C v λ ss λ λ + (1 - C v ) λ M Ces deux formules s'applquen aux cas de srucures déales. La srucure d'un corps réel correspond à une combnason des dsposons sére e parallèle. Le plus souven cee combnason es nconnue e de nombreuses formules, so emprques so dédues de modèles smples, condusan à des conducvés nermédares enre les valeurs exrêmes précédenes on éé proposées. La plus smple de ces formules es de la forme: λ (1 Cv ) C λ λ v e = ss M (2.36) Elle défn la conducvé comme une moyenne géomérque des conducvés de chaque phase du sysème. Cee expresson s'applque dans le cas d'une dsrbuon aléaore des phases. Cee formule ulsée dans le cas du sable semble suresmer la conducvé effecve du mélange lorsque λ M /λ ss es supéreur à 20. De nombreux modèles son ssus de calculs de conducvé élecrque e ulsen l'analoge enre le flux hermque e le couran élecrque. Ans Wylle e Souhwck on ulsé un modèle qu assoce les dsrbuons parallèle e sére pour calculer la conducvé élecrque de parcules conducrces dans un élecrolye. Sa ransposon à la conducon de la chaleur perme d écrre : a λ λ = c λ (2.37) M ss λ + b λm + λm (1 - d) + d λss ss 81

103 où a + b + c = 1 e a d + b = 1 - C v. Ce modèle a éé ulsé par Woodsde e Messmer [78] en adapan les consanes a, b, c e d. De la même façon, l analoge avec le flux magnéque a éé ulsée pour calculer le flux de chaleur modfé par la présence d un obje de conducvé dfférene. Braslord e Major on ulsé les résulas de Maxwell (1954) pour déermner la conducvé moyenne λ e d une dsrbuon aléaore de sphères de conducvé λ M dans un mleu connu de conducvé λ ss e obennen la relaon : λ λ e ss = λ M λm Cv 1 λss λss λ M λm 2 + Cv 1 λss λss (2.38) Pour l applcaon de cee formule, l fau que la concenraon en parcule sphérque so au plus égale à 22 % 1 λ e / λ s C v Fgure 2. 4 : Rappor des conducvés hermques en foncon de la concenraon volumque 1- formule (2.35), 2- formule (2.34), 3- valeur réelle. Sur la fgure 2.4, on a représené sur les courbes 1 e 2, les valeurs de λ e mnmales e maxmales pour un rappor λ M /λ ss = 0,1. Les valeurs réelles seron donc comprses enre ces deux courbes e la valeur donnée par la relaon de Maxwell es celle de la courbe 3. D aures aueurs on adapé la formule de Maxwell pour enr compe d un faceur de forme des parcules. 82

104 b- Mesures de la conducvé hermque Les deux méhodes ulsées prncpalemen pour mesurer la conducvé hermque son la méhode de la plaque fluxmérque e la méhode de la sonde, ces deux méhodes mesuren la conducvé hermque en foncon de la empéraure Prncpe des méhodes de mesure a- Méhode de la plaque fluxmérque (lambdamère) [58] Les apparels à plaque chaude gardée e à fluxmère on pour rôle d éablr à ravers des éprouvees homogènes en forme de plaque à faces planes e parallèles, une densé de flux hermque undreconnelle, consane e unforme. La pare de l apparel où cec es réalsé avec une précson accepable se sue au vosnage du cenre ; l apparel es donc dvsé en une zone cenrale de mesure sur laquelle son effecués les mesurages, e en une zone pérphérque de garde. Le fluxmère es un capeur qu mesure la densé de flux hermque à ravers l éprouvee (ou les éprouvees) par une dfférence de empéraure générée par cee densé de flux hermque raversan l éprouvee (ou les éprouvees) e le fluxmère lu-même. Le plus souven, l se compose d un noyau homogène, d un déeceur de dfférence de empéraure de surface (une hermople à joncons mulples) e d un déeceur de empéraure de surface. La zone du noyau du fluxmère, où son placés les déeceurs de dfférence de empéraure, es appelée zone de mesure. L apparel ulsé compore deux fluxmères (l un placé sur la source chaude, l aure sur la source frode, Fgure 2.5). Dans ce cas ce son des bans hermosaés qu almenen les boîes à eau consuans les sources chaude e frode. Les empéraures de ces sources peuven êre modfées afn de fare varer la empéraure moyenne de l échanllon. Sur ces boîes à eau son placés les fluxmères e un ordnaeur perme d acquérr e d analyser les mesures de flux e de empéraure. S Ù H` H U Fgure 2. 5: Méhode de la plaque fluxmérque. Sysème à deux fluxmères [58], [59] U`, U élémens chauds e frods ; H`, H fluxmères ; S éprouvee. Par cee méhode on mesure la conducvé hermque des maéraux par la mesure de la pussance hermque raversan le maérau pour une épasseur donnée, par uné de surface e 83

105 par degré. Le régme de mesure es un régme ransore, en 10 à 40 mnues e la empéraure ambane es fxée à (23 C) avec une précson de 5%. b- Méhode du fl chaud La méhode du fl chaud (parallèle) es une méhode de mesure dynamque basée sur le conrôle de l élévaon de la empéraure en un pon donné e une dsance spécfée d une source de chaleur lnéare encasrée enre deux éprouvees. L opéraon se passe en deux emps : - Chauffage des éprouvees dans un four à une empéraure spécfée e manen à cee empéraure. - Chauffage local uléreur par un conduceur élecrque lnéare (le fl chaud) encasré dans l éprouvee e ransporan un couran élecrque de pussance connu sable dans le emps e sur oue la longueur de l éprouvee. L apparel ulsé es consué de: - une encene où l éprouvee es porée à une empéraure conrôlée. - un fl chaud, de préférence en plane ou en plane rhodé, d envron 200 mm de longueur e d un damère maxmal de 0,5 mm, la longueur réelle éan connue avec une précson de +/- 0,5 mm. A chaque exrémé du fl chaud son soudés deux fls conduceurs du même maérau, l un pour fournr le couran de chauffage, l aure pour mesurer la chue de enson. Les fls conduceurs à l néreur des pares de l éprouvee doven avor le même damère que le fl chaud, à l exéreur des éprouvees, ls doven êre consués de deux ou pluseurs fls à orsade de 0,5 mm de damère. A l exéreur de l encene, les connexons des fls d almenaon doven êre réalsées à l ade de câbles pour couran for (20A/ 1,5 mm²). La sonde peu avor la forme d un fl reclgne ou d un anneau (fgure 2.6) B (a) A B (b) C C Fgure 2. 6: Représenaon schémaque des sondes de mesure de la conducvé hermque 84

106 (a) sonde fl ; (b) sonde en forme d anneau [60] A : fl chaud ; B : joncon de hermocouple ; C : feulle de kapon. La mesure du coeffcen de conducvé hermque s effecue de la façon suvane [59] : - une sonde es placée au sen du maérau à mesurer ; - après vérfcaon de la sablé hermque du mleu, on perurbe l équlbre hermque du maérau par un flux de chaleur généré par l élémen chauffan de la sonde ; - par le capeur de empéraure qu lu es assocé, on enregsre l évoluon de la empéraure. Dans le cas d un fl reclgne, la soluon es de la forme suvane ;. Q e T = ( ln( ) + C ) 4 πλ où :. Q : flux de chaleur [W/m] λ : conducvé hermque [W/m.K] T : empéraure [ C, K] : emps [s] La déermnaon de la conducvé hermque es obenue à parr de la régresson lnéare de la courbe T=f(ln()). Cee méhode perme donc de mesurer la conducvé pour un régme ransore, en 60 à 240 secondes e une empéraure de -150 à 200 C. La précson es de l ordre de 5% Le problème de la capacé hermque Méhodes héorques Capacé hermque réelle La capacé hermque d un maérau représene la quané d énerge qu l fau lu apporer pour élever sa empéraure de 1K. En réalsan un blan d énerge, la capacé hermque pour le mélange es : C pe ρ M CvCPM + ( 1 Cv )ρ ssc pss = (2.39) ρ ss Où : C pm : capacé hermque massque de MCP; C pss : capacé hermque massque du mélange. C v : concenraon volumque 85

107 Capacé hermque apparene La capacé hermque d'un maérau peu êre défne à parr de la varaon d'enhalpe par dh = dq + v dp (2.40) où v es le volume spécfque e P la presson. Pour un processus sobare, la varaon d'enhalpe d'un maérau qu ne change pas d'éa peu s'écrre dh = C (T ) dt (2.41) p e l'enhalpe spécfque à la empéraure T d'un maérau es alors: T p T 0 h = h + C (T ) dt (2.42) 0 h 0 éan l'enhalpe à la empéraure de référence T 0. Dans le cas d'un changemen d'éa à la empéraure T F, la varaon d'enhalpe spécfque pendan le changemen d'éa s'écr: dh = L F df (2.43) L F éan la chaleur laene de changemen d'éa e f la fracon massque de maérau qu change d'éa. Inversemen, pour s'affranchr du changemen de défnon lors du changemen d'éa, on défnra une capacé hermque massque apparene par: dh C ' pe = (2.44) dt e on aura, quel que so T, e même au changemen d'éa T ' h = h 0 + C pe (T ) dt (2.45) T0 Cee défnon fourn la capacé hermque massque réelle lorsqu'on n'a pas changemen d'éa e vau lors du changemen d'éa ' C pe f = L F (2.46) T Dans le cas où seule une fracon f du maérau change d éa la capacé hermque apparene peu donc s écrre : C ' pe f = C pe ± LF (2.47) T 86

108 avec les mêmes convenons de sgne que précédemmen. Cee expresson es le cas parculer d'un maérau qu a les mêmes masses volumques à l'éa solde e à l'éa lqude. Lorsque ce n'es pas le cas, on oben la formule (2.11). Dans le cas où le maérau n es pas pur la fuson s effecue sur un nervalle [T 1, T 2 ], l es nécessare d avor la varaon h (T) pour déermner C Pe. On mesure cee varaon à l ade d un calormère à balayage. Les mesures peuven présener une fore ncerude en parculer s l'on oben une fore varaon. En l absence de mesure on peu se donner une foncon à pror. Alse e Roy [61] on éudé quare foncons dfférenes pour représener la varaon de C ' pe, avec la empéraure pour vor s la forme de ces foncons affece les ransfers hermques. Ils on représené une dsrbuon symérque de la capacé hermque équvalene à l'ade de foncons carrées e snusoïdales e une dsrbuon asymérque à l'ade de foncons rangulare orenées à gauche ou à droe (fgure 2.7). C p (kj/kg.k) (c) (b) (d) (a) T 1 T 2 T ( C) ' Fgure 2. 7: Forme des courbes de C pe ulsées par Alse e Roy [61] pour éuder leur nfluence sur les ransfers hermques [61]. (a) forme recangulares; (b) forme snusoïdale ; (c) forme rangle orenée à gauche ; (d) forme rangle orené à droe. Les résulas de leurs calculs monren que l'allure de la foncon de C ' pe (T ) n'a qu'une fable nfluence sur le ransfer hermque. Ans la naure exace du processus de changemen de phase es peu mporane pour la modélsaon. Néanmons pour ceranes paros nous avons effecué des mesures de capacé hermque équvalene pour des mélanges. En effe dans ce cas la prédcon de l évoluon de C es mons fable. ' pe Pour effecuer la smulaon numérque, on a donc ulsé le modèle de Kondo e al. [19] qu perme d obenr cee varaon de C p. 87

109 Mesures de capacé hermque spécfque C p Prncpe de la méhode e résulas Une des méhodes ulsées pour mesurer la capacé hermque es la mesure à l ade d un mcrocalormère à balayage (SETARAM 80). Il mesure le flux de chaleur à ravers le corps solde lorsqu l y a une varaon connue de empéraure en foncon du emps, avec une empéraure de dépar légèremen supéreure à la empéraure ambane. Ce flux Q. es. comparé à celu d une cellule vde Q cel e la valeur de la capacé hermque apparene es donnée par.. Q Q cel C p = (2.48) dt m d où :. Q es le flux de chaleur mesuré pour les cellules e l échanllon ; Q. cel es le flux de chaleur mesuré pour les cellules vdes (sans échanllon) ; m es la masse de l échanllon. Les échanllons demandés pour la mesure par ce mcrocalormère son de pee alle e on une masse de l ordre de 1g. A re d exemple, on donne quelques résulas obenus en mesuran la capacé hermque sur des échanllons plâre/granulas. Le granula ulsé conen de la paraffne don la empéraure de fuson es 40 C. C p -1-1 p (J.kg -1 K) -1 ) Mesure du C p équvalen d un mélange plâregranula de MCP Plâre T( C) Fgure 2. 8: Varaon de la capacé hermque massque de MCP40, e de plâre en foncon de la empéraure. 88

110 Sur la fgure 2.8 on présene la varaon de la capacé hermque de ce mélange comparé à celle du plâre. La pare des courbes aux fables empéraures correspond à la mse en équlbre du sysème. Dans le cas du changemen de phase (MCP40) la courbe présene claremen un pc au vosnage de la empéraure de fuson. Ce pc a une valeur pluseurs fos plus mporane que celle dans le cas sans changemen de phase Prncpes reenus Pour meux rendre compe de la forme de la courbe de la capacé hermque, Kondo e al. [19] a proposé une méhode qu consse à approcher la courbe réelle par une sére de droes délman une surface don l are correspond à la chaleur laene. La fgure 2.9 présene une varaon de C P ans que l équaon des droes pour un maérau don la empéraure de fuson es T F = 26 C. C P l J/kg.K b c a l / T F 4.5 T F -2.0 T F T F +0.5 a : y = 1/10* l (T-T F +4.5) b: y = 3/8* l (T-T F +2.0) c: y = 2* l (T-T F - 0.5) Fgure 2. 9: Le modèle de calcul de C p en foncon de la empéraure (pour T F = 26 C). Ce modèle en compe du fa que la fuson peu se produre dans un nervalle de empéraure au vosnage de la empéraure de fuson T F. Il en égalemen compe de la forme réelle de la courbe don la décrossance es plus bruale que la crossance. 89

111 Pour la sue nous avons donc reenu deux ypes de modèle pour C p : - le modèle de Kondo e al. [19] qu a éé négré dans le logcel «Heang» ; - une forme recangulare pour le logcel TRNSYS. (Paragraphe 6.3.1). On ulse deux formes dfférenes pour leur faclé respecve d ulsaon dans chaque modèle. 90

112 2. 7 Concluson Dans ce chapre nous avons rappelé quelques noons héorques ans que les méhodes numérques assocées qu permeen de résoudre un problème de ransfer de chaleur avec changemen de phase. Deux cas son présenés, so le changemen de phase s effecue à une empéraure donnée e condu à une nerface lqude-solde ben denfée, so le changemen d éa a leu progressvemen sur un nervalle de empéraure. On a présené ensue les méhodes classques de résoluon de l équaon de conducon de la chaleur par dfférences fnes (mplces ou explce) qu son à la base du logcel ulsé pour nerpréer nos résulas. On a présené égalemen la méhode des conducances hermques qu es à la base de logcel de smulaon hermque d un bâmen comple. Ces logcels nécessan la connassance des propréés physques, on a, dans une deuxème pare, donné les relaons permean de calculer ces propréés physques lorsque le MCP es un mélange. On a égalemen rappelé les prncpes des mesures de la conducvé hermque employées. Concernan la capacé hermque massque, on a défn la capacé hermque massque apparene, explqué le prncpe de la méhode de mesure à l ade d un calormère à balayage e monré les résulas e donné le prncpe du modèle reenu. 91

113 Chapre 3 Eude expérmenale sur une paro (2D) 92

114 3. 1 Inroducon Pluseurs ypes de paro on éé envsagés pour répondre au problème d une fable épasseur e d une fore nere hermque apparene. Le premer chox es celu d un mélange plâre/ MCP. Pour des rasons de faclé de manpulaon le MCP chos éa condonné dans des granulas don la dmenson caracérsque vara de 1 à 3 mm e don le MCP éa une paraffne. La caracérsaon d échanllons de plâre/ MCP a ms en évdence pluseurs problèmes : - Une dégradaon des granulas en présence d eau lors de la fabrcaon du mélange ; - Une effuson de la paraffne lors du séchage des échanllons ; - Des propréés hermophysques varables en foncon du emps. Cec es dû à la eneur en eau du plâre qu se modfe. De plus, comme l on monré la smulaon numérque e les calculs prélmnares, un el ype de paro do avor une épasseur conséquene (de l ordre de 8 cm) pour assurer un sockage journaler. Cec a condu à défnr un aure ype de paro par l emplo de panneaux commercaux en maère organque (polycarbonae, PVC,.) pouvan êre remples drecemen par les granulas ou par un MCP pur. Cependan une évaluaon grossère de la masse de MCP condu à prévor une masse comprse enre 20 e 25 kg par m 2 de paro. Cec rend a pror dffcle l ulsaon de granulas qu ne conennen que 30% envron de MCP en volume. Enfn, le derner chox a éé de coupler le panneau rempl de MCP avec un super solan. Cec perme de ne pas augmener l épasseur de façon sgnfcave ou en ayan une bonne solaon hermque. 93

115 3. 2 Dsposf expérmenal Boucle d essas Pour eser les performances d une paro, en parculer sa capacé à socker l énerge hermque e à aénuer les varaons de empéraure, un dsposf expérmenal a éé réalsé. Ce dsposf perme so d mposer la empéraure sur chaque face d une paro mnce, so d mposer la empéraure d un côé e de lasser l aure en conac avec l ar amban. Pour mposer la empéraure, chaque face de la paro es mse en conac avec un échangeur hermque e le prncpe es présené fgure 3.1. T p, ϕ Sollcaon exéreure en empéraure T e Sollcaon néreure en empéraure T T pe, ϕ e Echangeur MCP Fgure 3. 1 : Le prncpe de la boucle d essas. Les échangeurs hermques son placés dans une boucle d essas qu les almene en eau don la empéraure es régulée (fgure 3.2). Ils son consués de deux plaques méallques enre lesquelles crcule l écoulemen d eau. Pour augmener le coeffcen d échange e assurer une bonne homogénéé des empéraures, l eau crcule à for déb enre des chcanes qu renforcen en même emps la rgdé de l échangeur. La empéraure de l eau peu êre modfée à l ade de bans hermosaés almenan chaque échangeur. L un des bans peu êre programmé pour assurer une varaon prédéfne de la empéraure de l eau en foncon du emps. Les empéraures de l eau aux bornes des échangeurs son mesurées. De chaque côé de la paro, cnq fluxmères équpés d un hermocouple son placés enre la paro e les échangeurs. On prendra la moyenne de densés de flux de chaque côé que l on noera ϕ e ϕ e dsnguan ans un côé d «néreur» e un aure d «exéreur» respecvemen. Les empéraures de ces hermocouples seron des empéraures de paro e l on noera T p e T pe. Enfn la empéraure ambane es auss mesurée. 94

116 L enregsremen des mesures de empéraures e de densé de flux es effecué par une cenrale d acquson Equpemen e nsrumenaon La boucle d essas compore les équpemen suvans fgure (3.2) : 1 - paro conenan le MCP 2 - boîes à eau (= échangeurs) 3 e 4 - deux bans hermorégulés : un de marque HUBLER e un de marque JULABO 5 - quare Thermocouples (2 de ype T e 2 de ype K) pour la mesure de empéraure enrée e sore des échangeurs 6 - dx capeurs de flux avec hermocouple de ype T négré. Fabrcan CAPTEC 7 - une boîe soherme où se rouven les conacs des dfférens hermocouples (TC) avec prse de mesure de empéraure par une sonde P 100 (= référence exéreure de empéraure correspondan à la empéraure de source frode) 8 - une uné d acquson de données HP, avec deux cares de mulplexage 9 - un ordnaeur. 5 1 Ban hermosaque Boîe à eau 1 «exéreur» 3 Cycle hermque Paro T = ce conenan 6 le MCP HUBLER K Boîe à eau 2 «néreur» T Fluxmères 5 5 K T Ban hermosaque JULABO 9 8 Vers TC e fluxmères Uné d acquson Boîe soherme 7 Fgure 3. 2 : Schéma du dsposf expérmenal. 95

117 Dans ce dsposf expérmenal, l un des deux échangeurs peu êre supprmé e remplacé par un cadre méallque. Dans ce cas, la paro es en conac drec avec l ar amban e échange avec lu par convecon naurelle e rayonnemen. Sur la fgure 3.3, on dsngue les dfférens élémens du dsposf expérmenal Boe soherme Uné d acquson e ordnaeur Boe à eau Paro avec MCP Fgure 3. 3 : Dsposf expérmenal Les capeurs de flux Les fluxmères radonnels son conçus pour la mesure des échanges hermques par conducon dans les mleux soldes [62]. La mesure d un flux hermque es habuellemen ramenée à la mesure d une dfférence de empéraure enre les faces d une paro auxlare. Ce écar de empéraure, mesuré par une hermople unformémen dsrbuée sur la surface du capeur, es représenaf de la densé locale de flux hermque (moyennée sur la surface du capeur, fgure 3.4). La sensblé déermnée par éalonnage es la enson de sore obenue pour une densé de flux unare. Elle s'exprme en [µv/w/m²]. La sensblé caracérse la performance d'un fluxmère hermque. Une aure caracérsque mporane es l épasseur du capeur pusque la perurbaon nrodue sur la densé de flux à mesurer dépend essenellemen de la réssance hermque en régme permanen, de la capacé hermque en régme ransore, ces quanés éan oues deux drecemen proporonnelles à l'épasseur du capeur. 96

118 dépos de cuvre pse de consanan 0.2 mm suppor kapon + cuvre Fgure 3. 4: Thermople planare Fgure 3. 5 : Fluxmères Le fluxmère hermque à graden angenel a éé conçu pour avor à la fos une sensblé élevée e une épasseur rédue à quelques dxèmes de mllmère (fgure 3.5). Un aure avanage es dû essenellemen au mode de fabrcaon qu perme la réalsaon ndusrelle de capeurs souples de grandes surfaces (pluseurs dm 2 ) ou en manenan la qualé obenue avec de pees dmensons (quelques cm 2 ). Dans le bu de vérfer les densés de flux mesurées par ces capeurs, les fluxmères on éé esés sur un dsposf spécfque composé d un bloc chauffan élecrque en alumnum, d une plaque de cuvre e d une boîe à eau (Annexe 4). Pour ne pas écraser les capeurs qu seron placés enre les échangeurs e la paro conenan le MCP, on do ulser une plaque de mousse don l épasseur es fable (2 mm) pour ne pas ajouer une rop grande réssance hermque perurbarce. Le dsposf sgnalé précédemmen a perms de vérfer que, compe enu des vesses d évoluon des phénomènes, les empéraures e les densés de flux n éaen pas sensblemen modfées Paros éudées Pour avor un nvesssemen mnmal ans qu une large dffuson, les paros éudées son réalsées à parr de panneaux commercaux. Le premer ype de panneaux ulsé es en polycarbonae. Ces panneaux on 16 mm d épasseur e son consués de deux feulles de polycarbonae rès mnces relées par des enreoses (fgure 3.6.a). Dans l espace néreur un MCP peu êre socké. Tros ypes de paros on éé esés : - le panneau en polycarbonae seul ; - le panneau rempl de granulas conenan un MCP (paraffne) ; - le panneau rempl drecemen à l ade d un MCP (polyéhylène glycol) La empéraure de fuson de la paraffne ulsée es 26 C. Le polyéhylène glycol ulsé es du PEG 600 don la empéraure de fuson es comprse enre 20 e 25 C. Ces chox on éé fas car l a éé monré que les empéraures de fuson des MCP choss devaen êre proches de la empéraure néreure [16]. Dans un deuxème emps, on a ulsé des panneaux en PVC. Ces panneaux on 25 mm d épasseur e son consués de deux feulles de PVC plus épasses que celles en polycarbonae (fgure 2.6.b) 97

119 Polycarbonae 0,18 mm 25 mm (a)- Panneau en polycarbonae Fgure 3. 6 : Panneaux ulsés (b)- Panneau en en PVC 3. 3 Expérences réalsées sur les paros conenan des granulas Caracérsaon des granulas e de la paro Granulomére des parcules du MCP La granulomére des parcules es fourne par le fabrcan. Néanmons cee granulomére a éé vérfée par une analyse d mage. Fgure 3. 7 : Parcules de MCP Fgure 3. 8 : Analyse de l mage On ulse un apparel phoo numérque relé drecemen à l ordnaeur e moné sur une loupe bnoculare permean ans de réalser un grossssemen des parcules à une échelle suffsane (fgure 3. 7). L mage prse par l apparel es drecemen vsble sur l écran de l ordnaeur e dverses foncons du logcel permeen en parculer de comper les granulas e de mesurer leur damère équvalen à celu d une sphère (fgure 3. 8). 98

120 Les résulas de la granulomére effecuée sur les parcules de MCP son donnés sur le ableau (3.1) e recoupen les données du fabrcan avec un léger décalage vers les grands damères (Annexe 5). Tableau N 3. 1: Résulas de la granulomére des parcules de MCP Damères équvalen des parcules [mm] > 4 Données Fabrcan (%) 2,9 89,5 7,5 0,1 Résulas granulomére (%) 1,54 86,67 9,74 2, Les cas éudés Les dfférens essas réalsés sur une paro en polycarbonae d épasseur de 16 mm e remple par le MCP en forme de granulas corresponden aux dfférenes condons aux lmes suvanes : - varaon snusoïdale de empéraure d un côé (ce qu perme de smuler les varaons quodennes de la empéraure exéreure), empéraure consane de l aure (pour smuler la empéraure néreure). so sur une paro vde ; so sur une paro plene. - varaon lnéare de la empéraure d un côé d une paro plene, empéraure consane de l aure. Cee varaon lnéare es : so une rampe de empéraure (2,5 K.h -1 ) ; so un choc hermque (27 K.h -1 ). La varaon snusoïdale correspond à un cycle journaler, la empéraure exéreure vare suvan la lo : = sn( π /12) Où : T e : la empéraure exéreure [ C] ; : le emps [h] ; pour T, on chos une empéraure consane, so : T = 23 C. T e Proporon de MCP dans la paro Tableau N 3. 2 : Caracérsaon des maéraux λ [W/m.K] C p [J/kg.K] ρ [kg/m 3 ] h f [kj/kg] T F [ C] α [m 2 /s] MCP 0, , Ar à 25 C 2, , ,

121 A parr des caracérsques de l ar e du MCP (ableau 3. 2), des paramères géomérques de la paro (fgure 3. 9) e sachan que la masse de granulas es 7,51 kg on oben les proporons volumques de 80,3 % de granula e 19,7 % d ar. 8 mm 19 mm cellules Fgure 3. 9: Schéma de la paro en polycarbonae Cycles hermques côé exéreur Cycle hermque sur paro vde. Tempéraure mposée côé néreur Un essa a éé effecué sur une paro vde. La empéraure mposée par l échangeur du côé exéreur vare snusoïdalemen e la empéraure mposée par l échangeur côé néreur es consane 23 C Les varaons de la empéraure e de la densé de flux obenues par ce essa son présenées sur les fgures e T( C) T e T pe T p T (h) Densé de flux (W/m 2 ) (h) - 40 T enrée échangeur n = T T enrée échangeur cycle = T e T fluxmère 2 = T * pe T fluxmère 9 = T p Flumére néreur Flumére exéreur Fgure 3. 10: Cycle hermque sur paro vde Tempéraures Fgure : Cycle hermque sur paro vde - Densés de flux * Les chffres assocés aux empéraures e aux fluxmères représenen les numéros des capeurs. 100

122 On n observe aucun déphasage enre les mesures de empéraures de paro e l en es de même pour les varaons des densés de flux. Ce essa servra de référence pour valder le logcel de smulaon numérque. Le déphasage peu êre esmé en fasan l approxmaon du mur nfn, par : où : ψ = π e τa τ es la pérode, a la dffusvé hermque e e l épasseur de la paro. S, en premère approxmaon, on consdère que la paro n es consuée que de l ar sec qu elle conen, on oben ψ ~ 5 mn, valeur qu es dffclemen mesurable dans nore expérence Cycle hermque sur paro smple avec MCP. Tempéraure mposée côé néreur Dans les mêmes condons aux lmes que précédemmen, on a fa un essa sur une paro remple de granula de MCP. Les fgures e représenen les varaons des empéraures ans que les varaons des densés de flux. T ( C) T e T pe T p T (h) 48 Densé de flux (W/m 2 ) φ e φ φ e - φ (h) T enrée échangeur n = T T enrée échangeur cycle = T e Fluxmère 2 = φ Fluxmère 7 = φ e T fluxmère 2 = T pe T fluxmère 7 = T p φ e φ Fgure : Cycle hermque sur MCP - Tempéraures Fgure 3. 13: Cycle hermque sur MCP - Densés de flux S on n observe pas d effe sgnfcaf du MCP sur les empéraures on vo par conre que les densés de flux son foremen affecées par la présence du MCP. On observe un léger déphasage enre les densés de flux de chaque face, ans qu un éro paler sur la pare monane des courbes, caracérsque d un sockage d énerge. Sur la même fgure, on a représené la dfférence des densés de flux ϕ - ϕ e qu me ben en évdence les pérodes de sockage e de désockage. En effe, la courbe des empéraures monre que le phénomène es ben pérodque e l on a τ ( ϕe -ϕ) d = 0 τ éan la pérode. o 101

123 Les énerges sockées e désockées son donc les surfaces enre les courbes ϕ e - ϕ e l axe ϕ = 0. Elles corresponden à 308 kj valeur nféreure à la capacé de sockage du MCP (373 kj). L nfluence d un MCP encapsulé dans des granulés, s elle es vsble, rese nsuffsane. Cela es vrasemblablemen dû à la mauvase conducvé du mleu en remarquan que l espace enre les granulas es rempl d ar condusan à une conducvé hermque du mleu plus fable que celle des granulas Cycle hermque sur paro double avec MCP. Convecon naurelle côé néreur Pour que ces expérences reflèen les vérables échanges hermques qu se produsen sur le côé néreur d une paro, on a effecué le même ype d expérences mas cee fos en remplaçan la boîe à eau 2 par un cadre méallque. Cec perme d avor une convecon naurelle sur le côé néreur de la paro. Un essa a éé effecué avec une paro consuée de deux panneaux du ype précéden placées côe à côe. Cec a pour effe d augmener la capacé de sockage hermque. Le même cycle snusoïdal a éé applqué côé exéreur. De plus, l échangeur néreur n es pas almené en eau pour lasser la empéraure lbre d évoluer. Donc on oben les condons aux lmes comme suvanes : 2 paros d épasseur (2 x 16) mm remples de MCP ; Cycle journaler de empéraure côé exéreur : T e = sn( π /12) ; Côé néreur : convecon naurelle. Dans cee expérence, on mesure, de plus, la empéraure e la densé de flux enre les deux paros. Les résulas son présenés sur les fgures e T( C) T e 31 T pe 29 T nermédare 27 T p 25 T (h) T T fluxmère 2 = T pe T fluxmère 7 = T nermédare T fluxmère 9 = T p T enrée échangeur cycle = T e Fgure 3. 14: Cycle hermque sur une paro conenan des granulas de MCP avec convecon naurelle sur le côé néreur. Evoluon des empéraures. 102

124 50 40 φ e Densé de flux (W/m 2 ) φ nermédare 10 φ (h) Fluxmère 2 = φ e Fluxmère 7 = φ nermédare Fluxmère 9 = φ Fgure 3. 15: Cycle hermque sur une paro conenan des granulas de MCP avec convecon naurelle sur le côé néreur. Evoluon des densés de flux. Conraremen au cycle hermque réalsé sur une paro smple, on peu observer un pon d nflexon au emps 12h que l on rerouve au emps 36h, sur la courbe de empéraure nermédare (fgure 3. 14). Cee empéraure es mesurée par un capeur placé enre les deux paros de MCP. Ces deux pons d nflexon corresponden à une empéraure de paro d envron 25 C, ce qu reflèe le changemen de phase lqude/solde de la paraffne. On peu auss noer que les dfférenes courbes de empéraure son déphasées enre elles. Ce déphasage es d envron 10 mnues enre T pe e T e, de 110 mnues enre T nermédare e T pe, d envron 35 mnues enre T p e T nermédare. Cec es dû au fa que la réssance hermque a augmené par la mse en place de deux paros au leu d une e, en plus, la empéraure côé néreur n es plus mposée. On consae que la courbe de empéraure de la paro néreure, où se produ la convecon naurelle, osclle enre 17 e 24 C. Ces varaons son lées à celles de la courbe de empéraure néreure, auremen d de la empéraure de l ar amban. On calcule égalemen les énerges sockée e désockée de la même manère que précédemmen. La dfférence des densés de flux ϕ e e ϕ monrées sur la fgure 3.15 es présenée sur la fgure Les énerges mses en jeu son de l ordre de 710 kj légèremen nféreures à la capacé de sockage du MCP (746 kj). 103

125 Densé de flux (W/m 2 ) 40 Sockage Désockage 40 (h) Fluxmére exéreur F luxmére néreur Fgure : Dfférence de densés de flux ϕ ϕ e Rampe de empéraure. Tempéraure mposée côé néreur Rampe lene (2.5 K.h -1 ) Une rampe a éé réalsée en fasan varer la empéraure T e de la paro remple de MCP avec les condons suvanes : empéraure de dépar : 15 C ; empéraure fnale : 40 C ; emps pour aendre 40 C : 10 heures. côé néreur : empéraure fxée à 20 C T( C) T sore échangeur n = T T fluxmère 2 = T pe T e T pe T T p (mnue) T enrée échangeur cycle = T e T fluxmère 7 = T p Densé de flux (W/m 2 ) (mnue) Fluxmère 2 = φ e Fluxmère 10 = φ Fgure 3. 17: Rampe sur MCP - Tempéraures Fgure 3. 18: Rampe sur MCP - Densés de flux 104

126 La varaon de la empéraure présenée sur la fgure fourn peu d évdence d un changemen de phase du maérau. On dsngue unquemen une légère déformaon de la courbe de la empéraure T p. Par conre, sur la courbe de densé de flux (fgure 3. 18), on consae deux modfcaons au nveau de la courbe de flux exéreur. La premère modfcaon a leu au emps 550 mn e correspond au changemen d éa solde/lqude de la paraffne. En effe, cee modfcaon se produ quand la empéraure de paro exéreure es de 27 C, e, on sa que la empéraure de fuson du maérau es d envron 26 C. La deuxème modfcaon de cee même courbe que l on peu observer es une dsconnué qu a leu au emps 1150 mn. Elle correspond au changemen d éa nverse du maérau, lqude/solde, car cee dsconnué se produ quand la empéraure de paro exéreure es d envron 25 C Rampe rapde (choc hermque, 27 K.h -1 ) Ce essa a éé effecué sur la paro en polycarbonae remple de MCP. Les condons aux lmes son: Une rampe rapde de empéraure représenan un choc hermque sur le côé exéreur pus un manen en empéraure de 45 mnues. Une empéraure consane fxée à 23 C sur le côé néreur de la paro T e T pe 25,5 25 T p T ( C) T ( C) 24, T P T (mnue) , ,5 0 T (mnue) T fluxmère 2 = T pe T fluxmère 7 = T p T enrée échangeur n = T T enrée échangeur cycle = T e T enrée échangeur n = T T enrée échangeur n = T p Fgure 3. 19(a) : Choc hermque - Tempéraures Fgure 3.19 (b) : Choc hermque - Tempéraures côé néreur 105

127 Densé de flux (W/m 2 ) φ e φ φ e φ (mnue) φ e φ (W/m 2 ) Fluxmère 2 = φ e Fluxmère 7 = φ φ e φ Fgure 3. 20: Choc hermque - Densés de flux. On mpose la rampe la plus rapde que le sysème perme d obenr. Avec cee rampe, la empéraure exéreure T e passe de 23 C à envron 41 C en 40 mnues (fgure 3.19 (a) e (b)). On consae alors que la empéraure de paro T Pe mone e descend auss ve que celle de la boîe à eau, ce qu monre que le coeffcen d échange eau/plaque d acer de l échangeur es grand. Sur le côé néreur de la paro de MCP, la empéraure de la boîe à eau es fxée à T = 23 C (fgure 3.19 (b)). S on observe que le emps de monée en empéraure de la paro de ce côé es le même que le emps de chauffage côé exéreur, par conre, le emps de refrodssemen côé néreur es relavemen plus len que celu qu es mposé de l aure côé. En effe, l es supéreur à 58 mnues côé néreur alors que de l aure côé l es de 34 mnues. Lors de la sablsaon en empéraure, la paro néreure es à 25 C e la paro exéreure es à 38 C donc la empéraure des granulas es comprse enre ces deux valeurs. Le changemen d éa solde/lqude a sans doue eu leu mas l n apparaî pas sur les dfférens graphques. Il do êre masqué par la présence d ar à l néreur de la paro. Néanmons, l explquera un emps de refrodssemen plus long par un désockage de chaleur lors du changemen d éa lqude/solde. Sur la courbe des densés de flux (fgure 3.20), on noe une premère décrossance de la dfférence φ e - φ à parr de 40 mnues pus une deuxème décrossance à parr de 85 mnues lorsque la empéraure T pe elle-même décroî. A parr de 95 mnues, on noe que φ e φ es négave ndquan un désockage de la chaleur par le MCP. Dans le bu de mere en évdence le changemen d éa, on a réalsé un aure choc hermque mas avec un emps de sablsaon beaucoup plus long que précédemmen. On a manenu donc les condons de l expérence précédene sauf pour le côé néreur Paro de 16 mm remple de MCP On réalse un choc hermque sur le côé exéreur de la paro en mposan une rampe rapde de empéraure. Sur le côé néreur de la paro, la boîe à eau es vde d eau. La empéraure n es donc plus mposée. 106

128 T ( C) T e T enrée échangeur cycle = T e T fluxmère 7 = T p T p T pe (h) T fluxmère 2 = T pe Densé de flux (w/m 2 ) φ φ e (h) Fluxmère 2 = φ Fluxmère 7 = φ e Fgure 3. 21: Choc hermque 2 - Tempéraures Fgure : Choc hermque 2 - Densés de flux On remarque (fgure 3.21) que la courbe représenan la empéraure T Pe n a pas exacemen la même forme que celle représenan T e. Cec me ben en évdence le changemen d éa comme on le vérfe sur les courbes des densés de flux ϕ e eϕ (fgure 3.22). On peu alors écrre le blan : max e P Pe P + Energe sockée par m 2 ( ϕ ϕ )d = m[ C (T T ) L] où : max es le emps maxmal. 0 D après la courbe de la fgure 3. 23, l négrale précédene vau kj/m 2. Cec correspond ben à la somme du sockage par chaleur sensble e de celu par chaleur laene. Densé de flux (W/m 2 ) ϕ ( h) e ϕ Fgure : dfférence de densés de flux ϕ ϕ e 107

129 Rampes de empéraure. Convecon naurelle côé néreur Rampe de empéraure lene Pour les mêmes rasons que pour le cycle hermque, un des deux échangeurs a éé enlevé. On a donc les condons de l expérence suvanes : 2 paros d épasseur 16 mm remples de granulas de paraffne Rampe de empéraure côé exéreur : empéraure de dépar : 20 C ; empéraure fnale : 40 C ; emps pour aendre 40 C : 10 heures Côé néreur : convecon naurelle T( C) T nermédare T pe T e T T p (h) Densé de flux (W/m 2 ) φ 10 nerm edare 0 φ φ e (h) T T enrée échangeur cycle = T e T fluxmère 7 = T nermédare T fluxmère 2 = T pe T fluxmère 9 = T p Fluxmère 2 = φ e Fluxmère 9 = φ Fluxmère 7 = φ nermédare Fgure 3. 24: Rampe avec convecon naurelle - Tempéraures Fgure 3. 25: Rampe avec convecon naurelle - Densés de flux Il es dffcle de mere le changemen d éa en évdence à parr des courbes de empéraure (fgure 3.24). Par conre, on peu observer sur la courbe de densé de flux exéreure (fgure3.25) un paler débuan au emps = 6h e se prolongean jusqu au emps = 10h. On peu alors supposer que les granulas de paraffne sués dans les cellules de la paro les plus proches de l échangeur exéreur on commencé à changer d éa en premer. La empéraure de la paro exéreure passan de 26 à 33 C pendan ce nervalle de emps, le maérau a donc aen sa empéraure de fuson. La chaleur se propagean, la paraffne suée dans la seconde paro a alors commencé, elle auss, à changer d éa quand la empéraure de la paro nermédare a aen 26 C. Cec peu êre une explcaon de l aure paler que l on peu vor sur la courbe de densé de flux nermédare. Ce paler se produ au emps = 8h e se prolonge jusqu au emps = 10h. Au emps = 22h, le ban hermorégulé mpose un refrodssemen rès rapde sur la paro. C es sans doue pour cee rason que l on n observe aucun paler monran le changemen d éa nverse, c es-à-dre lqude/solde, du maérau. En fasan la même analyse que précédemmen on rouve que l énerge sockée par la paro lors de cee rampe es de l ordre de 835 kj pendan 11 heures. 108

130 Choc hermque Les condons de l expérence son: 2 paros d épasseur 16 mm remple de MCP On mpose un choc hermque sur le côé exéreur Côé néreur : convecon naurelle. T( C) T e T pe T nermédare T p T T T e T pe T nermédare Tp (h) Densé de flux (W/m 2 ) φ e φ ermédare φ (h) -75 φ e φ ermédare φ Fgure 3. 26: Choc hermque avec convecon naurelle - Tempéraures Fgure 3. 27: Choc hermque avec convecon naurelle - Densés de flux Les résulas de ce essa (fgures 3.26 e 3.27) de choc hermque avec convecon naurelle sur le côé néreur de la paro ne permeen pas de mere en évdence smplemen le changemen d éa de la paraffne. Cec es peu-êre dû à une monée e à une descene rop rapdes en empéraure, comme pour l expérence précédene lors du refrodssemen Concluson Tous les essas qu on éé effecués sur les granulas de paraffne ne donnen pas les résulas espérés. On souhaa, grâce à l ulsaon de maérau à changemen de phase sous la forme de granulas dans les murs d un bâmen, un conrôle passf de la empéraure de paro afn d amélorer le confor hermque. Avec ces granulas de paraffne, l paraî dffcle de «réguler» cee empéraure. On décde donc d effecuer les mêmes expérences avec un MCP pur, le polyéhylène glycol 600 (PEG 600) don la empéraure de changemen d éa es comprse enre 20 e 25 C. 109

131 3. 4 Expérence sur des paros conenan un MCP pur (PEG600) Inroducon Généralés sur les polyéhylènes glycols Devan la dffculé d ulser des MCP condonnés sous forme de granulas, un MCP pur a éé ulsé. Le chox s es poré sur un PolyEhylène Glycol (PEG). Ce produ fa pare d une famlle de polymères lnéares hydrosolubles formés par la réacon d un complémen d'oxyde d'éhylène. La formule généralsée pour le polyéhylène glycol es : H-(OCH2CH2) n -OH, où "n" es le nombre moyen des groupes oxyéhylène qu son répéés. Chaque PEG a une masse molare dfférene. On le désgne alors par un numéro qu représene cee masse molare moyenne. Par exemple, le PEG600 es consru par la dsrbuon de polymères de dfférenes masses molares avec une moyenne de 600 g/mol, ce qu correspond envron à un nombre moyen de groupes à oxyéhylene "n" de 13. Les dfférenes varéés de PEG dsponbles on des masses molares moyennes comprses enre 200 e 1800 g/mol. Leurs propréés physques fguren dans l annexe 6. Parm ces propréés physques, la plus néressane es la empéraure de fuson qu vare suvan la valeur "n". Cec nous perme donc de chosr la empéraure de fuson la meux adapée au problème à résoudre. Pour nore applcaon, nous avons chos le PEG600 don la empéraure de fuson es comprse enre 20 e 25 C compe enu du fa que "n" n es qu une valeur moyenne Types de paros éudés Les essas effecués à l ade du PEG on éé effecués avec deux ypes de paros : - une paro consuée d un panneau en polycarbonae d épasseur 16 mm. - une paro consuée d un panneau en PVC d épasseur 25 mm couplée à un super solan. D aure par, le MCP peu êre placé du côé néreur de la paro ou du côé exéreur, on chosra de fare varer so la empéraure T e so la empéraure T Expérences réalsées sur le PEG Cycle hermque Le premer essa a éé réalsé sans mposer la empéraure du côé néreur de la paro. Les condons de l essa son résumées comme su : - paro de polycarbonae d épasseur 16 mm remple de PEG 600 ; - cycle journaler de empéraure côé exéreur : T e = sn( π /12) ; - empéraure néreure non mposée convecon naurelle. L évoluon des empéraures avec la convecon naurelle sur le côé néreur de la paro es présenée sur la fgure 3.28 e celle des densé de flux sur la fgure

132 T( C) 31 T e T 27 pe T p T MCP (h) T Densé de flux (W/m 2 ) φ e 40 φ (h) -40 T MCP T pe T T p T e φ e φ Fgure 3. 28: Cycle sur PEG600 avec convecon naurelle - Tempéraures Fgure 3. 29: Cycle sur PEG600 avec convecon naurelle - Densés de flux Concernan l évoluon des empéraures, le changemen d éa solde/ lqude du PEG es claremen ms en évdence à la fos sur la empéraure de paro néreure e sur la empéraure de paro exéreure. De plus, un hermocouple a éé plongé à l néreur du MCP e l monre égalemen des anomales de empéraure auss ben à la fuson qu à la soldfcaon. Cependan on ne dsngue pas un paler connu enre la fuson e la soldfcaon. L observaon des panneaux nous a perms de mere en évdence la formaon de zones lqudes qu augmenaen avec le emps. La zone lqude formée auour du hermocouple a donc éé surchauffée pendan l expérence. Concernan les densés de flux on dsngue égalemen des anomales dues au changemen d éa. En raçan la dfférence des densés de flux ϕ e - ϕ fgure (3. 30) l es possble de déermner les énerges sockée e désockée dans le polyéhylène glycol. 70 Densé de flux (W/m²) ϕ e - ϕ (h) Fgure 3. 30: Cycle hermque avec convecon naurelle. 111

133 En négran la courbe précédene on rouve que les énerges sockées e désockées son denques (822 kj). Dans le cas suvan, la paro es manenue enre les deux boîes à eau. On ne peu pas profer plenemen de la convecon naurelle mas pour ne pas mposer rop foremen la empéraure côé néreur l échangeur correspondan es vde. On a alors les relevés c-après (fgure 3.31 e 3.32). T( C) T T e T MCP T pe (h) T p T e Densé de flux (W/m 2 ) 100 T MCP T -80 T pe T p φ e φ φ e φ (h) Fgure 3. 31: Cycle sur PEG600 Tempéraures Fgure 3. 32: Cycle sur PEG600 Densés de flux Comme le côé néreur de la paro n es plus en conac avec l ar envronnan, on consae un écar plus mporan enre la empéraure ambane e la empéraure de paro. Duran cee expérence, cerans problèmes praques on éé ms en évdence. Un pe volume mor a éé lassé dans la paro pour permere l augmenaon de volume du PEG600 lors du changemen d éa. Cependan l es apparu que des zones lqudes solées se produsaen lors du changemen de phase solde-lqude. Ce lqude ne dsposa pas d un volume suffsan e dans ceran cas ne pouva pas repousser le PEG solde vers le volume mor (fgure 3. 33). Cec a condu à la desrucon progressve de la paro. PEG Fgure : Mse en évdence de zones lqudes dans le MCP. 112

134 Rampe de empéraure lene Pour éver le problème de dééroraon de la paro, on lasse celle-c manenue par les deux échangeurs. Cependan l un des deux es lassé vde d eau pour ne pas mposer la empéraure. Les condons de l expérence son les suvanes : Paro épasseur 16 mm remple de PEG600 Rampe de empéraure côé exéreur : empéraure de dépar : 20 C ; empéraure fnale : 40 C ; emps pour aendre 40 C : 10 heures Côé néreur : Tempéraure non mposée (boîe à eau vde) T ( C) T p T T e T pe T MCP emps (h) Densé de flux (W/m 2 ) Fluxmère exéreur φ e φ e - φ φ e - φ φ Fluxmère néreur (h) Fgure 3. 34: Rampe sur PEG600 avec convecon naurelle - Tempéraures Fgure 3. 35: Rampe sur PEG600 avec convecon naurelle - Densés de flux Sur les courbes de empéraure (Fgure 3.34), on ne vo pas un effe rès marquan du changemen d éa du polyéhylène glycol sur l allure générale des dfférenes courbes. Par conre, en ce qu concerne les résulas des mesures de densé de flux, on consae un «paler» sur la courbe de densé de flux néreur au emps 6h (fgure 3.35). En ulsan la courbe (φ e φ ) (Fgure3.36) e connassan la chaleur de fuson du PEG, l es possble de déermner le emps nécessare pour fare fondre ou le MCP. On procède de la même façon que pour le calcul de l énerge sockée par les granulés de paraffne effecué précédemmen. 60 Densé de flux (W/m 2 ) ϕe ϕ Fgure : Dfférence de densés de flux ϕ ϕ e 113

135 On rouve la même valeur pour l énerge sockée e l énerge désockée so 974 kj. Cee valeur es lon de la valeur nécessare pour fondre ou le PEG (1679 kj). En fa, ou le PEG es fondu e l écar observé es dû - aux peres de chaleur par les bords de la paro qu on le emps de s éablr compe enu de la monée en empéraure. - à la rampe de empéraure que l on a mposée ; elle débue à 20 C e à cee empéraure le PEG es à l éa solde plus ou mons pâeux donc l a beson de mons d énerge pour changer d éa Rampe rapde (choc hermque) Les condons de l expérence son les suvanes : Paro épasseur 16 mm remple de PEG600 Côé exéreur : choc hermque Côé néreur : Tempéraure non mposée (boîe à eau vde) T( C) 45 T e 40 T pe 35 T MCP T p 30 T (h) Densé de flux (W/m 2 ) φ e φ (h) T MCP T pe T T p T e φ e φ Fgure 3. 37: Choc hermque sur PEG - Tempéraures Fgure 3. 38: Choc hermque sur PEG - Densés de flux On peu vor sur la fgure 3.37 un léger paler sur la courbe de empéraure de paro exéreure au emps = 4.8 h, que l on rerouve sur la courbe de empéraure du MCP. Ce paler se radu par un pon d nflexon sur la courbe de la empéraure de paro néreur. Sur la fgure 3. 38, on consae un ne paler sur la courbe de densé de flux côé néreur qu dure envron 46 mnues. Ce que l on peu noer auss es le pon hau de la courbe de densé de flux exéreur qu se rouve à plus de 330 W/m² alors que dans les mêmes ypes d expérences effecuées précédemmen sur la paraffne l se sua au maxmum à 150 W/m². Avec la fgure 3. 39, c-dessous, donnan φ e φ on va déermner de la même façon qu au paragraphe l énerge sockée par le PEG600 lors de ce choc hermque. 114

136 60 Densé de flux (W/m 2 ) ϕe ϕ Fgure : Dfférence de densés de flux ϕ ϕ On rouve une énerge sockée de 1575 kj don l ordre de grandeur es, cee fos, plus proche de la valeur calculée avec la chaleur laene du maérau. Cec es dû au fa que les peres hermques duran la monée en empéraure n on pas eu le emps de s éablr. e 3. 5 Couplage panneau conenan un MCP avec un super solan de ype VIP Généralés Pour amélorer les performances des paros conenan le MCP, un couplage a éé réalsé enre un panneau à MCP e un panneau de super solan VIP (vacuum nsulaon panels) ou PIV (panneau solan sous vde) (fgure 3.40). Ce solan a la forme de panneau compose consué d une âme mcro ou nanoporeuse (par exemple sous forme de mousse à cellules ouveres de 20 à 50 mcrons). Celle-c, encapsulée sous vde e placée à l néreur d un flm soudé, parfaemen éanche à l eau e à l ar es réalsée en polymère méallsé ou en fne feulles méallques. Ulra léger (de masse volumque 80 à 140 kg/m 3 ) e ulra mnce (de 15 à 30 mm d épasseur), ce solan présene un coeffcen de conducvé hermque nféreure à 0,01 W.m -1.K -1 conre 0,03 pour un solan classque. 17 mm Fgure : Panneau de super solan (VIP). 115

137 Panneaux ulsés L expérence a monré que la paro en polycarbonae éa rop fragle pour supporer la dlaaon en volume du PEG600, l épasseur du polycarbonae éan d envron 0.6 mm. On a donc remplacé cee paro par une aure en PVC don l épasseur es de 1 mm. Le panneau en PVC a lu-même une épasseur de 25 mm. Des essas prélmnares on démonré la bonne enue de ce ype de paro au cyclage hermque. En vue de l ulsaon d une paro denque dans des cellules ess, l a éé décdé de consrure une paro complèe comprenan égalemen un panneau de super solan. En effe, l ulsaon d un super solan perme de ne pas rop augmener l épasseur de la paro. Sur la fgure 3.41 on monre une coupe de la paro éudée. Exéreur Inéreur PVC 1 mm VIP PEG Conre plaqué 5 mm 17 mm 25 mm Fgure : Coupe d une paro couplan un panneau de PVC avec MCP e un panneau VIP Types d essas effecués La paro ans défne éan égalemen monée sur des cellules ess, le côé exéreur sera celu où l y a l solan. Nous avons effecué des essas prélmnares dans les mêmes condons que le panneau en polycarbonae. Un cyclage hermque a éé réalsé en réalsan succésvemen les condons suvanes (fgure 3.42) - varaon lnéare de la empéraure d un côé d une paro avec le MCP, empéraure consane de l aure. Cee varaon lnéare es : so une rampe de empéraure so un choc hermque - varaon snusoïdale de empéraure d un côé d une paro avec le MCP, empéraure consane de l aure. 116

138 Exéreur Inéreur T pe T MCP T p T e =23 C VIP PEG Conre plaqué T Fgure : Résumé de condons aux lmes. Les empéraures mesurées son : - la empéraure à la surface du conreplaqué (Tempéraure néreure T ) ; - la empéraure à la surface du VIP (Tempéraure exéreure T e ) ; - la empéraure enre le VIP e le panneau de PVC (Tempéraure T MCP ) Varaon snusoïdale de empéraure La varaon snusoïdale a éé applquée sur le côé néreur. Les condons de l essa son les suvanes - cycle côé néreur T = sn( π /12) ; - empéraure exéreure mposée T e = 23 C. La fgure 3.43 représene les varaons de empéraure e la fgure 3.44 les varaons de densé de flux. Sur cee dernère fgure on remarque que la courbe ϕ e - ϕ es praquemen confondue avec ϕ mas de sgne opposé. Sur les courbes de empéraure on dsngue la fn de la lquéfacon (envron 29 C) e la fn de la soldfcaon (envron 22 C). A parr des dfférences de densé de flux on calcule les énerges sockées e désockées so : E sockée = 1996,2 kj ; E désockée = 2019,5 kj. Ces énerges son donc praquemen denques. Le panneau à MCP conen 20 kg de polyéhylène glycol. L énerge qu peu êre sockée par ce MCP es de l ordre de 2960 kj. Elle es supéreure à l énerge sockée mesurée. Il y a donc une pare de MCP qu rese sous la forme solde sans changer d éa. Cee pare peu servr à socker une énerge supplémenare en cas d augmenaon de la empéraure. 117

139 40 35 T TMCP Tp T( C) (h) T enrée échangeur n=tmcp T enrée échangeur cycle=t T fluxmère 5=Tpe T fluxmère 10=Tp Fgure : Cycle hermque sur MCP Tempéraures. φe φ (W/m2) (h) 45 Fluxmère exéreur Fluxmère néreur φe φ Fgure : Dfférence de densés de flux ϕ e - ϕ Convecon naurelle côé exéreur Pour monrer l nfluence des condons aux lmes, la empéraure côé exéreur n es plus mposée. Un des deux échangeurs es donc enlevé. Les condons son les suvanes : 118

140 Varaon snusoïdale de empéraure côé néreur: = sn( π /12) ; Côé exéreur : convecon naurelle. Un des pons néressans vsble sur les courbes de la fgure 3.45 es que la empéraure du PEG rese lmée à 29 C qu es la empéraure lme de fuson mse en évdence expérmenalemen. T T( C) (h) T enrée échangeur n.=tmcp T fluxmère 10= Tp T fluxmère 5=Tpe Fgure : Cycle hermque avec Convecon naurelle côé exéreur. φe φ (W/m2) (h) Fluxmère exéreur Fluxmère néreur φe φ Fgure : Dfférence de densés de flux ϕ e - ϕ 119

141 Rampe lene de empéraure (3 K.h -1 ) Une rampe a éé mposée sur le côé néreur avec les condons suvanes : empéraure de dépar : 6 C ; empéraure fnale : 36 C ; emps pour aendre 36 C: 10 heures ; côé exéreur : empéraure fxée à 15 C 40 T( C) Tp T TMCP 5 0 (h) T enrée échangeur n=tmcp T enrée échangeur cycle=t T fluxmère 5=Tpe T fluxmère 10=Tp Fgure 3. 47: Rampe sur MCP - Tempéraures La densé de flux es présenée sur la fgure Densé de flux (W/m2) (h) Fluxmère exéreur Flux néreu - Flux exéreur Fluxmère nereur Fgure : Rampe sur MCP - Dfférence de densés de flux ϕ - ϕ e 120

142 Sur les courbes de empéraure (fgure 3.47) on remarque ben la fn de la lquéfacon à 29 C envron. Sur les courbes de densé de flux (fgure 3.48) on remarque que le flux sur la paro exéreure es praquemen nul. La chaleur fourne es complèemen sockée par le MCP. L énerge sockée pendan la monée en empéraure (de 4.34 h à h) es E Sockée 1166 kj. De la comparason des deux courbes, on dédu à nouveau qu une pare du lqude formé es surchauffé alors qu l rese du solde à fondre. Cec monre que la quané de MCP prévue nalemen es compable avec une ulsaon quodenne. 121

143 3. 6 Concluson Dans ce chapre on a décr les essas réalsés pour effecuer le chox d un maérau à changemen de phase, son condonnemen e le ype de paro. La premère enave a conssé à ulser un MCP sous forme de granulas. Les résulas obenus on ms en évdence : - la nécessé de mere une grande quané de granulas compe enu de la fable proporon de paraffne ncorporée à l néreur ; - l mpossblé de préparer un mélange plâre+granula compe enu de l neracon granulas - eau ; La deuxème enave a conssé à remplr une paro en polycarbonae avec ces mêmes granulas. S le problème de compablé avec le plâre ava dsparu, la paro présena une rès fable conducvé hermque pour assurer un cycle hermque correc. Pour résoudre ce problème, l a éé décdé de remplr la paro drecemen avec un MCP. Pour des rasons de faclé d emplo e pour sa empéraure de fuson le PEG 600 a éé chos. Le cycle hermque devena alors correc mas la dsrbuon du lqude dans la paro a condu à une dééroraon du panneau. Nore chox s es poré alors sur un panneau en PVC, don l épasseur des paros es plus mporane e don le maérau es plus souple. Les résulas obenus monren que : la quané de MCP perme de nombreux ypes de sollcaons hermques ; la paro ans formée suppore de nombreux cycles hermques. 122

144 Chapre 4 Eude par smulaon numérque de la réponse d une paro 2D à une varaon pérodque de empéraure 123

145 4. 1 Inroducon Lorsque le mur exéreur d'un bâmen es soums à des flucuaons de empéraures ou de flux hermque, l es mporan que la empéraure de la surface néreure rese à une empéraure la plus consane possble e proche d'une valeur condusan à un confor opmal des occupans. Une façon d'y arrver es d'soler convenablemen cee paro e/ou d'ulser des MCP don la empéraure de changemen d'éa es vosne de cee empéraure condusan au confor opmal. Le comporemen de dfférens ypes de paros va donc êre éudé par smulaon numérque en fasan pluseurs hypohèses. La premère conssera à supposer que la empéraure de l'amosphère exéreure vare snusoïdalemen pour smuler les flucuaons journalères e que la empéraure néreure es manenue à une valeur consane de 23 C. La seconde hypohèse conssera à fare varer la empéraure néreure. Cec smulera les cas où le chauffage solare à ravers les vrages fa varer la empéraure néreure. Pluseurs ypes de paros seron éudés en assocan dfférens maéraux: plâre, MCP, solan. La smulaon numérque sera effecuée en résolvan l'équaon de conducon de la chaleur à ravers ces paros avec des condons aux lmes approprées. Les résulas obenus permeron de défnr la melleure assocaon de ces maéraux dans une paro Présenaon de Heang, La smulaon numérque a éé réalsée avec le logcel de conducon «Heang 7.3» [63], (OCDE-AEN : Organsaon pour le Développemen e la Coopéraon Economque-Agence pour l Energe Nucléare), Ce logcel développé par l ORNL (Oak Rdge Naonal Laboraory) es présené c-dessous Caracères prncpaux du logcel a- Généralés Heang 7.3 es un programme écr en Forran 77, qu smule le ransfer de la chaleur par conducon. Il peu résoudre les problèmes de ransfer de chaleur par une méhode de dfférences fnes en une, deux ou ros dmensons, pour pluseurs maéraux dfférens don les propréés physques (conducvé hermque, densé e chaleur spécfque) peuven dépendre du emps ou de la empéraure ou des deux ensemble. Ces maéraux peuven égalemen changer de phase. Les coordonnées pour lesquelles on peu ulser Heang son les coordonnées carésennes, cylndrques e sphérques. Le logcel rae les problèmes avec des sources néreures de chaleur. Le aux de généraon de la chaleur peu dépendre du emps, de la empéraure e de la poson. Les condons aux lmes qu peuven êre de surface à envronnemen (de ype conduco-convecf) ou de surface à surface (de ype conducf), peuven êre so des condons de empéraure mposées so des condons de flux. Pour ces dernères, elles peuven êre n mpore quelles combnasons de flux prescr de chaleur, convecon forcée, convecon naurelle e de rayonnemen. Les condons aux lmes peuven dépendre du emps e/ ou de la empéraure. Pour enrer les données ou écrre un programme, l suff de remplr un ableau donné, ce ableau pouvan êre consdéré comme composé de dfférenes cares. 124

146 b- Méhode de résoluon: Dans le cas du régme permanen, ros ypes de méhodes de résoluon son dsponbles: - méhode érave par pon en sur-relaxaon ; - soluon drece (pour des problèmes undmensonnels ou bdmensonnels) ; - graden conjugué. Dans le cas du régme ransore, dfférenes méhodes de dfférences fnes peuven êre ulsées : - la méhode mplce de Crank-Ncolson ; - le procédé classque de la méhode mplce ; - le procédé classque de la méhode explce ; - la méhode explce de Levy (cee méhode perme d ulser dans ceran cas un pas de emps plus grand que celu de la méhode explce classque). La résoluon du sysème d équaons résulan des echnques mplces classques es effecuée par des éraons successves par pon en sur-relaxaon e nclu des procédures d esmaon du paramère d accéléraon opmal. c- Resrcons ou lmaons Toues les surfaces d un modèle doven êre parallèles à un axe des cordonnées, ce qu rend la modélsaon d une géomére complexe dffcle. L éa ransore du changemen de phase peu êre résolu seulemen avec une méhode explce, la possblé de résoluon à l ade d une méhode mplce pour le changemen de phase n a pas éé mse en applcaon. d- Le emps ypque de fonconnemen Le emps d exécuon d un programme dépend de pluseurs faceurs : le nombre de nœuds dans la géomére, les non-lnéarés dans le modèle, la vesse de l ordnaeur, le ype de résoluon chos. Par conséquen, un emps ypque de fonconnemen n es pas smple à prévor. En deux dmensons par exemple, pour un mur plan avec 75 nœuds e ros maéraux le emps de calcul ulsan une méhode explce de Crank-Ncolson es de 8 mnues sur un PC cadencé à 2 GHz Le cas du changemen de phase (Commen heang rae le changemen de phase) Heang-7.3 peu résoudre les problèmes avec changemen de phase unquemen en ulsan une méhode de résoluon explce. Il calcule normalemen la empéraure du nœud qu change d éa jusqu à ce que sa empéraure arrve à la empéraure de changemen d éa. La progresson du changemen de phase es ndquée par le paramère X qu es le rappor de la quané de chaleur qu a éé absorbée après que la empéraure de ranson a éé aene par la quané de chaleur oale nécessare pour un changemen de phase comple du maérau au nœud. En dehors de la zone de changemen d éa ce rappor d rappor de fuson es prs égal à où : T : la empéraure du nœud ; X 0 = 1 s s T < T T > T f f 125

147 T f ; la empéraure de changemen d éa du nœud. Dans le cas d échauffemen d un maérau, s le rappor X es égal à zéro, la empéraure du nœud peu croîre. Quand la empéraure aen la valeur de celle du changemen d éa, la empéraure du nœud es manenue à la empéraure de changemen d éa e la valeur de X passe progressvemen de 0 à 1 comme su q X ( + ) = X ( ) + ρlv où : q : appor de chaleur au nœud pendan le pas de emps ; ρ : masse volumque du maérau évaluée à T ; L : chaleur laene du maérau ; V : volume de maérau assocé au nœud. S le rappor deven supéreur à l uné, l excès d énerge hermque es ulsé pour fare varer sa empéraure suvan l expresson ρ LV T = ( X 1) C p où C p es la capacé hermque au nœud. On ulse une procédure smlare lorsque X =1 e que le maérau peu se refrodr. Dans le cas ou le nœud es assocé à pluseurs maéraux qu changen d éa ndépendammen ou avec un seul maérau qu change d éa à des empéraures dfférenes, les changemens de phase son classés par ordre crossan de la empéraure de ranson. S la empéraure du nœud augmene, sa empéraure ne peu pas dépasser la valeur la plus pee de la empéraure de changemen d éa jusqu à ce que le rappor de fuson augmene de 0 à 1. Dès que ce rappor a une valeur de 1, l rese fxé à cee valeur e la empéraure du nœud augmene jusqu à la empéraure de fuson suvane. Le rappor de fuson es alors rems à 0 e la empéraure du nœud rese consane jusqu à ce que le rappor passe de 0 à 1. Ce processus se répèe jusqu à ce que ous les maéraux aen changé d éa Valdaon des procédures de calcul Un calcul de smulaon prélmnare a éé effecué pour comparer la soluon numérque à une soluon analyque connue. Nous avons chos le problème du choc hermque à empéraure mposée en surface sur un mur plan d épasseur 2l. Le problème es undmensonnel e la empéraure T(x, ) obé aux équaons suvanes : Equaon de la chaleur T Condon nale =0, x, T(x,0) =T 2 T = a 2 x 126

148 Condons aux lmes >0, x= ± l, T(±l, ) = T e la soluon analyque es [27] T n π (2n+ 1) a ( x, ) T 4 ( 1) 2 4l = e T T π n= 0 (2n + 1) πx cos 2l La smulaon numérque a éé effecuée en deux dmensons e l évoluon de la empéraure au cenre de la plaque (x=0) es présenée sur les fgures 4. 1 e le ableau T( C) T( C) (h) 0 0,0 0,5 1,0 10 (h) 0 0,0 0,5 1,0 Smulaon Analyque Fgure 4. 1 : Comparason des courbes obenues par la smulaon numérque e la soluon analyque. Tableau N 4. 1 : Comparason des valeurs de la empéraure e écar enre méhode numérque e méhode analyque [h] T [ C] «numérque» T [ C] «analyque» Ecar % ,125 29,058 28,934-0,428 0,375 43,43 43,536 0,243 0,5 46,324 46,424 0,217 0,625 47,94 48,022 0,171 0,75 48,844 48,906 0, ,633 49,665 0,065 En concluson, le logcel fourn des résulas à meux que 1% e d auan melleurs que le emps es plus long. Ce derner pon es favorable pusque les emps caracérsques de nos expérences son de l ordre de l heure ou de la journée. 127

149 4. 3 Les cas éudés e les condons aux lmes a- Les cas éudés Dfférens ypes de paros on éé smulés avec pluseurs solans, avec ou sans maéraux à changemen de phase. On peu classer sous ros rubrques les cas qu on éé analysés à l ade de la smulaon : Paros consuée de maéraux qu ne changen pas d éa ; Paros de plâre avec MCP en supposan que le mélange se compore comme un maérau qu deven progressvemen lqude ou solde ; Paros de plâre avec MCP en supposan que le mélange change d éa avec un fron de fuson ou de soldfcaon. b- Les condons aux lmes Les condons aux lmes choses pour smuler les varaons journalères de empéraure son les suvanes : Tempéraure exéreure varan snusoïdalemen suvan la relaon : T e () = T o + A sn w = sn (2π/τ) = 24+8 sn ( ) (avec τ = s) Tempéraure néreure consane : T = 23 [ C] Coeffcen d échange de chaleur enre la paro exéreure e l amosphère [16]: h e = 17 [W/m²K] Coeffcen d échange de chaleur enre la paro néreure e l ar néreur [16] : h = 9 [W/m²K] Les condons aux lmes son résumées sur la fgure 4.2: 128

150 Exéreur Inéreur Tempéraure ( C) h e Paro h T = 23 C Temps (h) Fgure 4. 2: Résumé des condons aux lmes de la smulaon. c- Les grandeurs analysées La grandeur qu nous néresse prncpalemen es la empéraure de la surface néreure des paros. Ce son donc les varaons de cee grandeur qu seron analysées Propréés physques des maéraux Les paros éudées son consuées : - de plâre pur ; - d solan (polysyrène Expansé, PSE); - de mélange plâre/ MCP. Les MCP ulsés fourns par la socéé Rubherm conssen en des granulas de 1 à 3 mm de damère conenan envron 35% de paraffnes choses pour leur empéraure de fuson [18]. On a chos le GR25 qu a une empéraure de fuson de 25 C. - de paro remple par un MCP pur couplée avec un super solan Le ableau 4.2 donne les valeurs de la conducvé hermque (λ), de la masse volumque (ρ) e de la capacé hermque massque (C p ) des dfférens maéraux. Tableau N 4. 2: Les propréés physques des maéraux ulsés Maérau λ [W/m.K] ρ [kg/m 3 ] C p [J/kg.K] MCP 0, Plâre [65] 0, Isolan (PSE) 0,035 [66] Super Isolan (VIP) 0, Lorsque le maérau es consué d un mélange, les valeurs de λ, ρ e C p, s le maérau ne change pas d éa, son calculées à l ade des relaons de Maxwell-Garne [67]. Ces valeurs son données dans le ableau

151 Tableau N 4. 3: Propréés physques du mélange plâre/ MCP Maérau Concenraon Ea C p [J/kg.K] λ e [W/m.K] Plâre/ GR25 30% Solde 1217,7 0,2602 Plâre/GR25 30% Lqude 1368,1 0,2639 S le MCP fond ou se soldfe, le changemen d éa es prs en compe de deux façons : - l y a un fron de soldfcaon\ lquéfacon e on ulse une chaleur laene de changemen d éa proporonnelle à la concenraon massque de MCP. Dans le cas du GR25 (30%), la chaleur laene, d après les données de Rubherm, éan L = J/kg on prend J/kg. De plus, la capacé hermque massque es consdérée comme resan consane. - l n y a pas de fron de soldfcaon e le changemen d éa es prs en compe par une capacé hermque varable. Pour le mélange consdéré (plâre 70%, GR 30%) cee capacé hermque es dédue des mesures e donnée par la fgure Cp Cp (J/Kg.K) T( C) Fgure 4. 3: La capacé hermque d'un mélange Plâre/ MCP (30%) Les paros éudées On éudera successvemen : - des paros en plâre ; - des paros en solan polysyrène expansé; - des paros consuées d un mélange plâre/ MCP ; - des paros en polycarbonae so vdes, so remples à l ade de granulas ; - des paros en PVC remples par un MCP pur. L épasseur de la paro a un effe sur la quané de chaleur sockée e sur la empéraure de la surface néreure de cee paro. Pour évaluer ce effe, dfférenes épasseurs (1 cm, 2 cm,. 8cm), pour les ros premers cas cés plus hau, on éé analysées par la smulaon numérque. Pour les deux derners cas, on effecuera la smulaon pour valder l expérence. 130

152 4. 6 Paros de plâre, solan ou de mélange plâre/ MCP Paros en maéraux ne changean pas de phase a - Plâre La fgure suvane présene la varaon de la empéraure sur la surface néreure d une paro de plâre (2D) de dfférenes épasseurs plâre cm Te 2cm 4cm 6cm 8cm 1cm 3cm 5cm 7cm T ( C) cm (h) Fgure 4. 4: Comparason des varaons de la empéraure de la surface néreure T p pour des paros en plâre d épasseurs 1-8 cm. Le sockage par le plâre es un sockage par chaleur sensble, plus l épasseur du mur en plâre augmene, plus la empéraure de la surface néreure deven sable. L oscllaon observée présene égalemen un léger déphasage avec l oscllaon de la empéraure exéreure. La comparason enre la valeur maxmale e la valeur mnmale de la empéraure de la surface néreure pour chaque épasseur es effecuée dans le ableau 4.4 : Tableau N 4. 4: Evoluon de T max e T mn en foncon de l épasseur d une paro en plâre Epasseur [cm] T max [ C] 26,31 25,69 25,34 25,11 24,94 24,80 24,69 24,59 T mn [ C] 20,26 20,73 21,01 21,20 21,41 21,46 21,56 21,65 b - Isolan L analyse du comporemen d une paro (2D) de polysyrène de dfférenes épasseurs es monrée sur la fgure 4.5. La comparason enre la valeur maxmale e la valeur mnmale de la empéraure de la surface néreure es effecuée dans le ableau

153 Isolan seul 1-8 cm T e 1 cm 4 cm 7 cm 2 cm 5 cm 8 cm 3 cm 6 cm 26 1 cm T( C) cm (h) Fgure 4. 5: Comparason des varaons de la empéraure de la surface néreure T p pour des paros en polysyrène d épasseurs 1-8 cm. Tableau N 4. 5 : Evoluon de T max e T mn en foncon de l épasseur d une paro en polysyrène Epasseur [cm] T max [ C] 24,56 24,17 23,97 23,86 23,77 23,71 23,66 23,62 T mn [ C] 21,65 21,99 22,16 22,26 22,33 22,38 22,42 22,46 On remarque l effcacé de l solan sur l aénuaon de l amplude des oscllaons. Il n y a praquemen pas de déphasage Paros consuées d'un mélange plâre/ MCP a - Cas où le mélange MCP/ plâre change d éa avec un fron de soldfcaon Dans ce cas la empéraure de fuson du MCP es 24 C. On monre l évoluon des empéraures sur la fgure 4.6 e la comparason des valeurs maxmales e mnmales de la empéraure de la surface néreure dans le ableau

154 cm Te 2cm 3cm 4cm 5cm 6cm 7cm 8cm 26 T( C) mélange Plâre/ MCP "C p =ce" (h) Fgure 4. 6: Comparason des varaons de la empéraure de la surface néreure T p pour des paros en plâre/ MCP 30%. Smulaon avec un fron de soldfcaon. Tableau N 4. 6: Evoluon de T max e T mn en foncon d une paro en plâre/ MCP Epasseur [cm] T max [ C] 26,18 25,54 25,09 24,74 24,48 24,32 24,19 24,11 T mn [ C] 20,35 20,83 21,11 21,30 21,44 21,55 21,66 21,76 On observe ben l effe du fron de lquéfacon e de soldfcaon avec un paler de empéraure lorsque le MCP change d éa. Cependan le maérau se compore comme s l éa un MCP qu aura une chaleur laene plus fable. Lorsque le MCP es fondu, l se réchauffe donc à l éa lqude. On remarque, en oure, pour ce ype d oscllaons, qu une épasseur supéreure à 7 cm présene peu d nérê où alors l faudra une épasseur elle que la empéraure exéreure a remoné sensblemen. b - Cas où le mélange change d éa progressvemen (C p varable) La capacé hermque ulsée es celle de la fgure 4.3. On monre l évoluon des empéraures sur la fgure 4.7 e la comparason des valeurs maxmales e mnmales de la empéraure de la surface néreure dans le ableau

155 Te 2cm 4cm 6cm 8cm 1cm 3cm 5cm 7cm T( C) mélange plâre/mcp" C p varable" (h) Fgure 4. 7: Comparason des varaons de la empéraure de la surface néreure T p pour des paros en plâre/ MCP 30%. Smulaon avec C P varable. Tableau N 4. 7: Evoluon de T max e T mn en foncon de l épasseur d une paro en plâre/ MCP avec C P varable Epasseur [cm] T max [ C] 26,16 25,42 24,90 24,53 24,25 24,02 23,84 23,68 T mn [ C] 20,35 20,84 21,22 21,78 22,32 22,99 23,36 23,5 Comparé au cas où le changemen d éa présene un fron de soldfcaon, on observe un comporemen analogue mas avec un lssage rès for des varaons bruales. De plus, l amplude des oscllaons de la empéraure des paros néreures deven rès fable (nféreure à 1 C) pour des paros de plus de 6 cm d épasseur, épasseur pour laquelle les maxmums son déphasés d une dem-pérode Comparason des smulaons pour dfférens cas éudés A re d exemple, une comparason enre une paro de mélange (MCP/ Plâre) d épasseur de 6 cm avec une paro d solan e une paro de plâre de la même épasseur es monrée sur la fgure

156 32 Epasseur 6cm T e Tp MCP (Cp varable) Tp Isolan Tp Plâre Tp MCP (Cp =ce) T( C) (h) Fgure 4. 8: Comparason de la varaon de la empéraure néreure pour ros paros d épasseur denque (6 cm). Paro en plâre, en solan, en Plâre/MCP. Cee fgure me ben en évdence le comporemen de chaque ype de paro ans que la dfférence enre les deux modélsaons du changemen d éa. Il sera mporan de valder expérmenalemen laquelle des deux modélsaons (fron de soldfcaon ou C P varable) représene le meux la réalé. De plus, on remarque que l solan perme d obenr des ampludes de empéraure plus fable qu une paro mxe plâre/ solan. a- Influence de l épasseur de la paro Sur la fgure 4. 9 l évoluon des quare ypes de smulaon (plâre pur, solan, mélange plâre/ MCP avec C p consane, mélange plâre/ MCP avec C p varable) es présenée pour des épasseurs varan de 1 à 8 cm. 135

157 Fgure 4. 9 : Comparason des évoluons de la empéraure néreure pour des épasseurs dfférenes (e =1-8 cm). 1 plâre ; 2 solan ; 3 MCP /plâre (C p = ce) ; 4 MCP/plâre (C p varable). 136

158 Pour ben monrer l effe de l épasseur de la paro sur la empéraure de la surface néreure de ces paros, on consdère l évoluon des empéraures maxmales en foncon de l épasseur de chaque paro (fgure 4.10). Tempéraure ( C) 26, , ,5 24 Tmax MCP/plâre (Cp=ce) Tmax MCP/plâre (Cp varable) Tmax Isolan Tmax Plâre 23, épasseur (cm) Fgure 4. 10: Evoluon des empéraures maxmales de la surface néreure en foncon de l épasseur. On remarque qu l es nécessare d avor une paro d épasseur au mons égale à 8 cm pour que l aénuaon des oscllaons de empéraures d une paro en mélange plâre/ MCP so denque à celle d une paro en solan. Cec condu aux deux consaaons suvanes : La quané de MCP n es sans doue pas suffsane pour des paros mnces (< 8 cm) l sera néressan de coupler solan e MCP. b- Varaon de la empéraure de la surface néreure en foncon de la concenraon Deux paros de deux épasseurs dfférenes (3 e 6 cm) avec des concenraons varables de MCP (de 10% à 90%) on éé éudées pour mere en évdence l mporance de la quané de MCP. Les sollcaons son les mêmes que précédemmen. La smulaon a éé effecuée en prenan un fron de soldfcaon e la fgure 4.11 présene les résulas pour une paro de 3 cm d épasseur. De même, sur le ableau 4.8, on a reporé les valeurs maxmales e mnmales de la empéraure de la surface néreure ans que leur dfférence. Comme aendu cee dfférence es la plus fable pour la concenraon la plus grande. On noe qu à parr de 60% on a un long paler de empéraure e une dfférence enre empéraure maxmale e mnmale qu vare peu (fgure 4.12). 137

159 T( C) % 20% 30% 40% 60% 70% 80% 90% 50% (h) Fgure 4. 11: Comparason des varaons de la empéraure sur la surface néreure pour une paro d épasseur de 3 cm en foncon de la concenraon de MCP. Tableau N 4. 8: Varaon des empéraures maxmales e mnmales sur la surface néreure en foncon de la concenraon 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% T max [ C] 25,28 25,115 25,091 25,07 24,93 24,66 24,64 24,61 24,58 T mn [ C] 21,075 21,076 21,107 21,14 21,17 21,21 21,24 21,28 21,31 T [ C] 4,205 4,039 3,984 3,929 3,754 3,458 3,397 3,333 3,272 paler [h] 11,94 12,59 13,08 13,54 13,94 14,14 14,31 14,47 14, T( C) (h) 3 cm Fgure 4. 12: Evoluon de la dfférence enre empéraures maxmale e mnmale e de la durée du paler en foncon de la concenraon de MCP. La fgure 4.13 présene les smulaons pour la paro de 6 cm d épasseur. Comme prévu, la durée du paler dû à la fuson es beaucoup plus grande que celle de la paro de 3 cm. 138

160 De même, l effe de la conducon perme d augmener la valeur de la empéraure mnmale. On a égalemen reporé sur le ableau 4.9 les empéraures maxmales e mnmales de surface néreure e leur dfférence. La durée du paler dû au changemen d éa a éé auss reporée % 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% T( C) (h) Fgure 4. 13: Comparason des varaons de la empéraure sur la surface néreure d une paro d épasseur de 6 cm en foncon de la concenraon de MCP. Tableau N 4. 9: Varaon des empéraures maxmales e mnmales sur la surface néreure d une paro de 6 cm d épasseur en foncon de la concenraon 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% T max [ C] 24,64 24,43 24,32 24,23 24,21 24,14 24,11 24,05 24,02 T mn [ C] 21,49 21,52 21,55 21,59 21,63 21,67 21,71 21,75 21,79 T [ C] 3,15 2,82 2,64 2,64 2,58 2,47 2,4 2,3 2,23 paler [h] 13,29 14,22 14,90 15,33 15,52 15,78 15,97 16,14 16,23 Les résulas du ableau 4.9 on éé porés sur la fgure On remarque qu à parr d une concenraon de 60% de MCP la longueur du paler dû au changemen d éa évolue peu. Sur la fgure 4.14 es présenée l évoluon du rappor des durées des palers dus au changemen d éa pour les épasseurs de 3 e 6 cm. On remarque que ce rappor se sablse au vosnage de (fgure 4.15). 139

161 T( C) (h) 6 cm Concenraon % Fgure 4. 14: Evoluon de la dfférence enre empéraure maxmale e mnmale e de la durée du paler en foncon de la concenraon de MCP. 1,15 1,14 6 cm /3 cm Rappor des durées 1,13 1,12 1,11 1,1 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 Concenraon relave Fgure 4. 15: Evoluon du rappor des durées des palers dus au changemen d éa pour des paros d épasseur 3 e 6 cm. On remarque que la sablé de la empéraure de la surface néreure T p es lée à l épasseur de la paro e au aux de MCP conenu dans cee paro. Mas la durée de cee zone de sablé es lmée car l augmenaon de la concenraon de MCP (par exemple, plus de 60%) n a pas un effe consdérable sur l augmenaon de cee durée. 140

162 4. 7 Paros conenan des granulas Inroducon L éude par smulaon numérque de paro consuée d un mélange plâre-mcp a monré que la quané de MCP devra êre augmenée pour amélorer l effcacé de la paro. On a donc défn une paro consuée de granulas sockés enre deux paros mnces de polycarbonae. Dans le cas où l on ulse des granulas Rubherm, ces derners conennen 30% en volume de paraffne. Les propréés hermophysques choses seron donc les suvanes. Pour la chaleur laene une valeur L= 96 kj/ kg donnée par le fabrcan. Pour la conducvé hermque, une valeur dédue so des mesures so des valeurs données par le fabrcan comme l es ndqué c-après Des mesures de la conducvé hermque pour les granulas seuls (GR25) on éé effecuées par la méhode de la sonde. Le ableau 4.10 donne les valeurs obenues par la mesure e son comparées aux valeurs données par le fabrcan. Tableau N 4. 10: Les valeurs mesurées de la conducvé hermque comparées à celles données par le fabrcan λ [W.m -1.K -1 ] «mesurée» λ [W.m -1.K -1 ] «référence» [18] GR (solde) 0,196 0,18 GR (lqude) 0,177 0,19 On remarque que la mesure de λ, pour les granulas seuls donne des résulas rès proches de ceux du fabrcan. Lorsqu on effecue une mesure de λ pour le mélange plâre/ MCP on oben des valeurs dfférenes de celles calculées. Cee varaon peu-êre lée à : - la façon ulsée pour préparer ce mélange qu nécesse l ulsaon de l eau. En effe, le plâre peu ne pas êre complèemen sec e les granulas peuven absorber de l eau, ce qu peu modfer leurs propréés physques. De plus, le conac enre l eau e les granulas es déconsellé par le fabrcan. - la proporon de MCP dans le granula qu n es pas de 100% mas de 30% massque. Pour éver ce genre de problèmes, des paros en polycarbonae de 16 mm d épasseur remples par les granulas GR25 seron ulsées. L éude suvane monre la smulaon effecuée sur ces paros où le GR25 présene 95% de la fracon volumque. 141

163 Paros consuées de polycarbonaes avec granulas de MCP Smulaon numérque sur paro en polycarbonae vde Comme déjà menonné, un des essas réalsés éa un cycle hermque sur paro vde. Cee expérence es effecuée à re de référence. La fgure 4.16 monre la varaon de la empéraure sur la surface néreure obenue par l expérence (fgure 4.16 a) comparée à celle obenue par la smulaon (fgure 4.16.b). T( C) Tp Polycarbonae Tpe Polycarbonae T( C) 31 Tp polycarbonae 29 Tpe Polycarbonae (h) Fgure a Fgure b Fgure : Varaon de la empéraure sur la surface néreure d une paro vde (a)- résula expérmenal, (b)- smulaon numérque. Quand on compare les résulas fourns par la smulaon numérque sous Heang (fgure b) avec ceux donnés expérmenalemen (fgure a), on consae dans les deux cas des snusoïdes quasmen parfaes sans aucun déphasage enre les courbes. Par conre, les ampludes de empéraure son dfférenes. En effe, on a : - Pour la empéraure de paro exéreure : sous Heang : T pe = 23 ± 7, 2 C expérmenalemen : T pe = 23 ± 7, 8 C - Pour la empéraure de paro néreure : sous Heang : T p = 23 ± 0, 6 C expérmenalemen : T p = 23 ± 1 C Ces dfférences provennen, sans doue, d erreurs au nveau des condons à poser pour le logcel : mprécsons sur λacer, sur les coeffcens d échange exéreur e néreur, ec. 142

164 Mas, dans l ensemble, le logcel de smulaon perme d obenr une bonne approxmaon de ce qu se passe en réalé Paros consuées de polycarbonaes avec granulas de MCP Les paros en polycarbonae ulsées (son d épasseur de 1,6 cm, ces paros son déjà décres vor chapre 3). Comme la srucure d une paro de polycarbonae es relavemen complquée, une smplfcaon a éé fae pour effecuer la smulaon numérque. La fgure suvane monre une paro en polycarbonae comparée à la srucure smplfée. L espace sera rempl par les granulas. Polycarbonae 0,18 mm Polycarbonae 0,6 mm Vde 14,5 mm Polycarbonae 0,9 mm - a - - b - Fgure : Schéma de paro de polycarbonae ulsée dans l éude (a)- paro en polycarbonae (b)- modèle smplfé de paro en polycarbonae a - Cas où les granulas GR25 changen d éa avec un fron de soldfcaon La fgure (4.18) compare la varaon de la empéraure de la surface néreure de ros paros de même épasseur: une paro en polycarbonae remple par le GR25, une paro de plâre seul e une paro de mélange MCP/plâre dans le cas de C p varable, en gardan oujours les mêmes condons aux lmes du paragraphe

165 Tp Polycarbonae Tp Plâre Tp MCP/plâre (Cp= ce) Te 26 T( C) (h) Fgure 4. 18: Comparason enre T p pour des paros : en polycarbonae avec granulas, en plâre e mélange MCP/plâre avec C p varable. Dans le ableau 4.11 on compare les valeurs maxmales e les valeurs mnmales de la empéraure de la surface néreure pour chaque paro (polycarbonae avec granulas, plâre e mélange MCP/ plâre) : Tableau N 4. 11: Les valeurs maxmales e mnmales de la surface néreure pour des paros en polycarbonae, en plâre e en mélange Plâre Plâre/MCP Polycarbonaes avec granulas T max [ C] 25,89 25,76 24,97 T mn [ C] 20,58 20,68 20,92 T [ C] 5,31 5,08 4,05 On rouve que la paro en polycarbonae remple avec du GR25 es celle qu garde une empéraure consane le plus longemps e pour une dfférence mnmale. b - Cas où les granulas GR25 changen d éa progressvemen (C p varable) La capacé hermque apparene d un ensemble de granulas GR26 en foncon de la empéraure n a pas éé mesurée. Cependan, on a déjà ndqué que la forme de la courbe lors du changemen d éa ava peu d mporance. Pour effecuer la smulaon numérque, on a donc ulsé le modèle de Kondo e al. [19] qu perme d obenr cee varaon de C p. Les résulas de la smulaon numérque son présenés sur la fgure Comme pour les aures cas déjà éudés le paler de changemen d éa cède la place à une varaon connue. Les écars de empéraures sur la surface néreure son comparables au cas précéden. 144

166 T e Tp Polycarbonae (Cp varable) Tp Polycarbonae (Cp =ce) 26 T( C) (h) Fgure 4. 19: Comparason des varaons de la empéraure de la surface néreure d une paro de polycarbonae avec granulas modélsée avec C p consane e avec C p varable. Pour savor s les performances de la paro en polycarbonae avec granulas varen en foncon de l épasseur e par conséquen de la quané de MCP, on a comparé la smulaon pour une seule paro à celle pour deux paros juxaposées (C p = ce). (Fgure 4.20) T e Tp Polycarbonae (Cp varable) Tp Polycarbonae (Cp=ce) Tp 2Paros Polycarbonae 26 T( C) (h) Fgure 4. 20: Comparason des varaons de la empéraure de la surface néreure d une seule paro e de deux paros denques juxaposées. On remarque que l augmenaon de l épasseur des paros n es pas rès effcace. S une seule paro peu garder la empéraure à la surface néreure pendan 14,1heures, deux paros ne peuven garder cee empéraure que 15,7 heures. 145

167 Paro compose, solan plus MCP. Effe de la poson des couches. On va consdérer une paro compose consuée d un panneau d solan e de panneaux en polycarbonae avec granulas juxaposés. Chaque panneau a une épasseur de 2 cm sauf dans le cas d une paro à 3 panneaux où l solan a une épasseur de 1 cm. On a donc les 3 cas : 1- La paro es consuée de deux panneaux, un panneau en polycarbonae placé du côé néreur, un panneau en solan placé du côé exéreur. 2- La paro es consuée de deux panneaux, un panneau en polycarbonae placé du côé exéreur, un panneau en solan placé du côé néreur. 3- La paro es consuée de ros panneaux. Un panneau en polycarbonae es placé enre deux panneaux d solans. La fgure 4.21 llusre les ros cas : les deux cas avec deux panneaux e celu avec ros panneaux. On repore la varaon de la empéraure pour chaque cas sur les surfaces néreures ans que sur les nerfaces solan/ polycarbonae. Exéreure T e ( C) +8 C Inéreure T =23 C T ( C) Tpe Te Tp 24 T pe 24 (h) T p T 1 (a) T (h) Exéreure Inéreure 32 T ( C) Te T e ( C) +8 C 24 T pe 24 (h) T =23 C T p T 1 (b) T1 Tp Tpe (h) 146

168 Exéreure T e ( C) +8 C 24 T pe T 1 24 (h) Inéreure T =23 C T p T 2 (c) T ( C) 32 Te Tpe 28 Tp T2 T (h) Fgure 4. 21: Varaon de la empéraure sur les surfaces néreures, exéreures e sur les nerfaces. (a)- Isolan à l néreur, (b)- polycarbonae avec granulas à l néreur, (c)- Isolan à l néreur e à l exéreur Isolan 2 cm GR25 1,6 cm La comparason des varaons de la empéraure sur la surface néreure pour chaque cas es monrée sur la fgure T e Tp Polycarbonae (cas a) Tp Isolan (cas b) Tp Isolan (cas c) 26 T( C) (h) Fgure 4. 22: Comparason des varaons de la empéraure sur la surface néreure pour chaque cas. Lorsque le MCP es placé du côé néreur, la réssance hermque de l solan ag d abord, pus on remarque que la réssance hermque de la couche de MCP ne perme pas d aendre la empéraure de fuson de 26 C. Lorsque le MCP es placé du côé exéreur, l fond à la empéraure de 26 C e la réssance hermque due à l solan dmnue l écar de empéraure enre le MCP e la surface néreure en conservan le paler de changemen d éa. 147

169 Pour que le MCP a une nfluence, l fau donc so que l amplude de l oscllaon de la empéraure exéreure so plus grande, so que la empéraure de changemen d éa du MCP so plus basse. C es la rason pour laquelle un essa a éé effecué avec un MCP don la empéraure de changemen d éa es denque à la empéraure néreure so 23 C (Fgure 4.23). - (a) - -( b) - - (c) - T( C) Te ( C) Tp Isolan T( C) Te Tp Polycarbonae T( C) Te Tp Isolan (h) (h) (h) Fgure 4. 23: Evoluon de la empéraure sur la surface néreure d une paro composée de MCP e plaques d solan : (a) les polycarbonaes sur le côé exéreur (b)- les polycarbonaes sur le côé néreur (c)- les polycarbonaes son au mleu de deux couches d solan. On remarque que la paro la plus effcace es, dans ce cas, celle pour laquelle le polycarbonae es placé enre deux panneaux d solan (fgure 4.23.c) Comparason générale Sur le ableau 4.12, on a résumé quelques caracérsques des paros éudées. On noe P une paro en polycarbonae remple de MCP e PI une paro consuée de deux panneaux, un d solan à l néreur l aure de polycarbonae sur le côé exéreur e ans de sue. Pour les aures noaons. La noaon 2P concerne une pare de paro. 148

170 Tableau N 4. 12: Comparason de paros ayan des srucures dfférenes : empéraures néreure maxmale e mnmale, écar enre empéraures néreures maxmale e mnmale, durées de paler dû à la fuson/ soldfcaon P PI IP IPI Plâre seul (1,6 cm) Isolan seul (1,6 cm) Mélange MCP\plâre (1,6 cm) 2P I, 2P 2P. I T max 24,9 23,82 24,06 23,63 25,89 24,24 25,747 24, ,63 T mn 20,68 22,06 22,06 22,38 20,58 21,89 20,678 20,93 22,16 22,18 T 4,29 1,76 2 1,25 5,308 2,35 5,069 4,03 1,84 1,45 [h] 14,11 16,66-15, ,486 15,68 15,53 17,39 On a représené la dfférence enre la empéraure maxmale e mnmale pour chaque cas sur le dagramme de la fgure T ( C) P IP PI IPI Plâre Isolan MCP 2P I.2P 2P.I Fgure 4. 24: Comparason générale. Il es clar que plus l y a d solan e plus l écar de empéraure es fable mas l es mporan de connaîre le sens des flux hermques. S l solan es à l exéreur le MCP rejee la chaleur sockée vers l néreur de la pèce assuran une cerane clmasaon. Cec es favorable dans une régon frode ou empérée. A l nverse s l solan es à l néreur, le MCP absorbe e rejee prncpalemen des flux vers le mleu exerne, suaon favorable en pays chauds e ensolellés. 149

171 4. 8 Paro conenan du MCP seul Chox du MCP Comme on l a remarqué dans le chapre 3, l ulsaon de paro de polycarbonae remple en granula de MCP pose le problème lé à la fable conducvé hermque due à la présence d ar enre les granulas. Cec enraîne que la durée du paler de la empéraure de la surface néreure ne dépasse pas 15 heures pendan une journée. Pour que la paro garde cee empéraure à la valeur donnée, on a pensé ulser des paros remples à 100% de MCP. Le polyéhylène glycol (PEG) don la composon a éé chose pour que le changemen d éa a leu enre 20 e 25 C. Les propréés son données dans le chapre Influence du flux échangé a- Cas d un maérau à empéraure de changemen d éa défne Pour analyser l nfluence du flux de chaleur deux valeurs du coeffcen d échange exéreur (enre amosphère e paros) on éé ulsées : une valeur de 17 Wm -2 K -1 déjà ulsée qu correspond à la convecon naurelle e une valeur de 327 Wm -2 K -1 qu correspond à celle de l échangeur de l nsallaon expérmenale. Les fgures (a e b) présenen la varaon de cee empéraure pendan un cycle hermque de deux jours pour un maérau déal changean d éa à 24 C. Ces deux courbes permeen de monrer que lorsque la densé de flux sur la surface exéreure es fable on oben un paler de fuson-soldfcaon pouvan durer une vngane d heures. S par conre la densé de flux sur la surface exéreure es fore (~ 2500 W/m²) on observe une fuson complèe au bou de 7 heures envron pus un réchauffemen e un refrodssemen du MCP sous forme lqude Te Te - b - T( C) T( C) (h) h =17 W/m²K (h) h=327w/m²k Fgure : Varaon de la empéraure sur la surface néreure d une paro de polycarbonae conenan du polyéhylène glycol, pour un cycle hermque de deux jours. (a) h e = 17 Wm -2 K -1, (b) h e = 327 Wm -2 K -1. C p varable _, C p = ce.. 150

172 b- Cas où le maérau change de phase enre 20 e 25 C Comme le polyéhylène glycol présene une gamme de empéraure de fuson (enre 20 e 25 C) e pour une comparason drece avec le dsposf expérmenal, on a ulsé une capacé hermque massque varable en foncon de la empéraure selon le modèle de Kondo e al. [19]. Avec les mêmes condons qu au paragraphe (a) on remarque sur la fgure 4.25 que les palers on praquemen dsparu. De plus, l amplude de la empéraure de surface néreure es sensblemen plus grande Descrpon sommare du dsposf expérmenal Pour llusrer les performances du logcel, les résulas numérques on éé comparés aux résulas expérmenaux des expérences menés au CEA/ GRETh. Le dsposf expérmenal (vor chapre 3.) es consué d une paro placée enre deux échangeurs à plaque. L échangeur smulan le côé exéreur mpose une empéraure varan snusoïdalemen avec le emps compe enu du grand coeffcen d échange h e enre le flude e la paro. L échangeur smulan le côé néreur, pour cee expérence, n éa pas almené en eau e on peu consdérer que l espace enre les deux plaques de l échangeur condu à une réssance hermque équvalene ou à une conducvé hermque équvalene de l ordre de 0,15 Wm -1 K -1. En résumé, le dsposf expérmenal présene les réssances hermques en sére suvane (fgure 4.26) : h e T p h R e R a R a R ae R a R Echangeur Paro Echangeur Fgure 4. 26: Réssances hermques dans la secon d essas. R e = 1/h e R a = e a / λ a Réssance hermque d une plaque d acer 151

173 R c : Réssance hermque de la paro R a R ae : Réssance hermque équvalene d une lame d ar e d enreoses en acer ou conducvé équvalene (λ= 0,15 Wm -1 K -1 ). R a R = 1/h Le calcul du coeffcen d échange enre l eau crculan dans l échangeur e la paro condu à une valeur de 327 Wm -2 K Comparason smulaon numérque résulas expérmenaux La smulaon numérque en compe des dfférenes réssances hermques défnes en Sur les fgures 4.27 (a e b), on présene la varaon des empéraures en foncon du emps. Sur la fgure 4.27 (a) son présenées les empéraures relevées sur le dsposf expérmenal e sur la fgure 4.27 (b) les résulas de la smulaon numérque a - Te Tp Polycarbonae Tp" Acer" b - Te Tp Polycarbonae Tp "Acer " T( C) T( C) (h) (h) Fgure 4. 27: Varaon de la empéraure en foncon de emps a- pour le dsposf expérmenal b- pour les résulas de la smulaon numérque. On remarque qu on oben un accord qualaf correc enre smulaon e expérence. Quanavemen, l accord es mons bon. Cela peu êre dû à la smplcé du modèle ulsé pour la varaon de la capacé hermque équvalene. 152

174 4. 9 Paro assocan MCP e panneau d solan La paro éudée expérmenalemen dans le chapre 3, consuée d un panneau de PVC rempl de PEG e couplé à un VIP a éé auss éudée par smulaon numérque. Dans ce cas la empéraure néreure vare snusoïdalemen e on rappelle sur la fgure 4.28 la poson des mesures de empéraures consdérées. Les résulas son présenés sur la fgure 4.29 e on remarque un bon accord enre héore e expérence. Exéreur 1 1 PEG VIP T Inéreur T e = ce T T pe T p Fgure Paro assocan MCP e VIP. Poson des mesures de empéraures. 1 : acer, 2 : PVC T Tp T Tp T( C) Tpe T( C) Tpe (h) Expérmenale (h) Numérque Fgure : Paro assocan MCP e VIP. Comparason enre les varaons de empéraures obenues numérquemen e expérmenalemen. 153

175 4. 10 Concluson Une démarche prélmnare a éé effecuée pour éuder la pernence du concep de paro conenan un maérau à changemen de phase. Pour cela une smulaon numérque a éé réalsée avec le logcel «Heang» sur dfférens ypes de paro. On éé respecvemen éudées les cas suvans : - paro en plâre ; - paro consuée d un mélange plâre e granula de MCP; - paros composes : plâre pur solan; mélange plâre granula/ solan. - paro n ulsan que des granulas placés à l néreur d un panneau en polycarbonae ; - paro ulsan un MCP pur placé à l néreur d un panneau de polycarbonae; placé à l néreur d un panneau en PVC assocé à un VIP. Après valdaon du logcel, ces smulaons on monré claremen que la quané de MCP deva êre suffsane pour absorber l énerge échangée pendan une pérode de vng quare heures. La smulaon confrme, comme l expérence, que dans l éa acuel des echnques, l ulsaon de granula n es pas ben adapée au problème e demandera un développemen mporan. L ulsaon d un MCP pur par conre perme de respecer les mpérafs des dmensons vsées e un calcul élémenare a perms de défnr une épasseur. D aure par, la confguraon d une paro légère do prendre en compe une assocaon correce de MCP e d solan qu dépendra de l applcaon consdérée e des condons de l envronnemen. Les deux cas ulsés dans la smulaon (changemen d éa avec un fron de soldfcaon ou progressf) monren que pour approcher la réalé e raer le problème de changemen de phase dans le calcul, l conven d ulser un C p varable e c es ce qu sera applqué uléreuremen dans la smulaon pour le cas 3D. L expérence e la smulaon sur la paro 2D nous on donc amené à effecuer le chox du MCP e le ype de la paro qu va le conenr. La srucure des paros des cellules es qu présenen l éape suvane des expérences a donc éé défne. 154

176 Chapre 5 Eude expérmenale sur des cellules ess 155

177 5. 1 Inroducon Le comporemen de paros, couplan MCP e VIP a éé éudé dans les chapres précédens. Il apparaî que seules les paros conenan un MCP pur peuven correcemen jouer le rôle d «amorsseur hermque» compe enu des épasseurs désrées. Le couplage avec un super solan perme égalemen d aénuer l nfluence des varaons clmaques du côé où l es placé. Pour vérfer le ben fondé de ce chox deux cellules ess on éé consrues, l une avec des paros sans MCP, l aure avec des paros avec MCP. Ces cellules son consuées chacune d une face vrée e de cnq panneaux conenan ou non un MCP. Ces cellules son placées à l exéreur e exposées aux varaons clmaques. Les paramères mééorologques son enregsrés à parr de la saon vosne de l emplacemen des cellules. L objecf de ce chapre es de décrre les cellules ess e leur nsrumenaon, d analyser le comporemen hermque à ravers les résulas obenus Concepon des cellules Défnon de la srucure d accuel des panneaux Les deux cellules négran les composans avec e sans MCP son des srucures à sx faces (une face es équpée d une fenêre) permean d accuellr les dfférens panneaux. La srucure de chaque cellule es réalsée en proflés PVC blanc (fgure 5.1 e fgure 5.2), renforcée de ubes d acer rgdfan la srucure, afn d en assurer la bonne enue. Le PVC blanc a éé chos comme maérau ayan une bonne réssance aux UV ans qu un fable coeffcen d absorpon du rayonnemen solare. La fenêre es équpée d un double vrage classque de 4/16/4 mm. Les fenêres des cellules son orenées plen sud sur la plaeforme d essas. Fgure 5. 1 : Proflé d accuel des panneaux sans MCP Fgure 5. 2: Proflé d accuel des panneaux avec MCP 156

178 Monage e chox des maéraux composan les panneaux Compe enu des résulas obenus sur l expérmenaon avec les panneaux en polycarbonae de 16 mm, rop fragles, le chox s es poré sur des panneaux alvéolares PVC de 25 mm d épasseur (fgure5.3). Le ZAE de Bayern (Allemagne) [68] a réalsé des panneaux semblables. En erme de quané, la cellule compore cnq panneaux conenan chacun 20 kg de MCP. La dsposon des composans dans chaque panneau es représenée sur la fgure VIP 17 m m VIP 17 mm Panneau MCP 25 mm (a) - - (b) - Fgure 5. 3: Schéma de monage des panneaux dans la srucure - (a) - cellule sans MCP - (b)- cellule avec MCP 1- plaque fbrocmen 6 mm, 2- conre plaqué 5 mm. Les dmensons des panneaux e des composans son les suvanes: Cellule sans MCP dmenson (longueur, largeur, épasseur) en mm - Conreplaqué marne (900 x 900 x 5) - VIP (Panneau Isolan sous Vde) de marque WACKER (900 x 900 x 17). - Plaque de fbre-cmen de marque PANELO (900 x 900 x 6) Cellule avec MCP dmenson (longueur, largeur, épasseur) en mm - Conreplaqué marne (900 x 900 x 5) - Panneau alvéolare PVC (900 x 900 x 25) conenan le MCP - VIP (Panneau Isolan sous Vde) de marque WACKER (900 x 900 x 17) - Plaque de fbre-cmen de marque PANELO (900 x 900 x 6) Dans la concepon chose, les panneaux MCP placés à l néreur de la cellule (fgure 5.4) socken l énerge solare enran par la face vrée alors que le VIP placé à l exéreur joue son rôle d solaon de la cellule ou en proégean le MCP des agressons hermques exéreures. 157

179 Hver HIVER Eé ETE V I P M C P V I P M C P V I P V I P V I P M C P V I P Fgure 5. 4 : Schéma de prncpe Caracérsques du MCP ulsé Conformémen aux conclusons des expérences précédenes, le MCP reenu es le polyéhylène glycol (PEG) 600 don les caracérsques connues son les suvanes (ableau 5.1): Tableau N 5. 1 : Caracérsques connues de polyéhylène glycol (PEG 600) Tempéraure de fuson [ C] Vscosé dynamque à + 5 C 0,150 [Pa.s] Chaleur Laene 148,1 [kj/kg] Vscosé dynamque à + 20 C [Pa.s] Conducvé hermque λ lqude 0,16 [W/m.K] Densé lqude 1120 [kg.m -3 ] Conducvé hermque λ solde - Densé solde 1180 [kg.m -3 ] Capacé hermque massque Cp lqude 2,3 [kj/kg.k] Expanson Volumque 5,5% 158

180 Mse en place des cellules sur la plaeforme d essas Comme cé précédemmen, l a éé décdé que le vrage des cellules sera exposé plen sud (fgure 5.5 e fgure 5.6) cec afn de pouvor caper le maxmum de rayonnemen solare, noammen lors de la sason d hver. Les cellules son placées suffsammen lon l une de l aure pour éver qu elles ne se fassen de l ombre. Nord sud Nord sud 30 Hver 70 Eé Fgure 5. 5 : Orenaon SUD des cellules. Fgure 5. 6: Cellules sur la plaeforme d essas. 159

181 5. 3 Insrumenaon des cellules Descrpon e monage des capeurs de flux hermque e des capeurs de empéraure sur une paro Les capeurs de flux hermque ulsés pour nos cellules son des capeurs rgdes denques à ceux ulsés pour l éude des paros. Au oal vng capeurs son ulsés pour les deux cellules (dx dans chacune des srucures). Le capeur de flux hermque délvre une enson posve ou négave dépendan de l orenaon du flux. Un hermocouple de ype T es négré à chaque capeur de flux. Ils son monés au cenre de chaque panneaux suvan le schéma de la Fgure VIP 17 mm Panneau MCP 25 mm VIP 17 mm Cellule avec MCP Cellule sans MCP Fgure 5. 7: Posons de capeurs de flux/empéraure dans les panneaux 1- Conre plaqué 5 mm ; 2- Plaque fbrocmen 6 mm ; 3- Capeurs de flux. De plus, au cenre de chaque cellule, un hermocouple mesure la empéraure de l ar amban Acquson e sockage des données En ce qu concerne la collece des données, celle-c es réalsée par une cenrale d acquson auonome. Placée dans un coffre éanche avec un chox d almenaon sur seceur ou baere, elle acquer les sores des capeurs de flux, les numérse, les rae pus sauvegarde les résulas. Dans nore cas, les données son drecemen collecées grâce à une nerface réseau enre la cenrale de mesure e un mcro-ordnaeur équpé d un logcel spécfque de communcaon (PC208W Daalogger suppor sofware). Un exemple d acquson de données es présené fgure

182 La saon mééorologque du CSTB, suée à proxmé (50m), fourn la mesure d ensolellemen nécessare pour réalser des blans hermques e la smulaon. Fgure 5. 8 : Exemple d acquson de données. Sur la fgure 5.8, on peu dsnguer les 20 mesures de empéraure de paro assocées au 20 mesures de densé de flux plus les deux empéraures néreures ans que la empéraure exéreure (soen 23 empéraures noées TC e 20 densés de flux noées F1) Résulas obenus Analyse globale des empéraures La fgure 5.9 résume le comporemen hermque des deux cellules duran la campagne de mesure de la pérode du 17 au 21 sepembre Sur cee fgure on a reporé la empéraure à l néreur de la cellule sans MCP, la empéraure à l néreur de la cellule avec MCP, la empéraure exéreure ans que la courbe d ensolellemen. Pendan la pérode la plus chaude de la journée la empéraure de la cellule avec MCP aen envron 40 C (courbe vere) alors que celle de la cellule sans MCP dépasse 60 C. Le phénomène s nverse la nu. La cellule avec MCP s abasse à 23 C alors que l aure rejon la empéraure exéreure proche de 12 C. En défnve les ampludes durne/nocurne des deux cellules avec e sans MCP son respecvemen de 20 e 50 C (fgure 5.10). Le MCP rempl ou à fa sa foncon d amorsseur hermque. 161

183 T ( C) Tcellule sans MCP T cellule avec MCP Te Rayonnemen solare"sud" Rayonnemen solare W/m : : : : :00 (Jour) Fgure 5. 9 : Evoluon des empéraures néreures des deux cellules. 0 Τ ( C Ecar (Tcellule sans MCP - Te) Ecar( Tn cellule avec MCP - Te) Ecar (Tcellule sans MCP - T cellule avec MCP) Te Tempéraure exéreure ( C) : : : : :00 (Jour) 0 Fgure 5. 10: Tempéraures néreures-ecars par rappor à l exéreur. 162

184 Analyse des flux hermques sur les paros Par convenon le flux enran dans la cellule es posf. A parr du rayonnemen solare mesuré sur un plan horzonal, les composanes vercales sur chaque face des cellules son calculées à l ade du logcel METEONORM. Les courbes obenues son présenées fgures 5.12, 5.13, 5.15 e On analysera dans le déal les flux sur une paro donnée, celle orenée à l oues. Les mêmes rasonnemens s applquen aux aures paros Présenaon de METEONORM METEONORM es une base de données clmaologques complèes pour n mpore quel endro du globe. C es égalemen un programme de calculs clmaologques pour des projes de concepon echnologque dans les applcaons passves, acves e phoovolaïques de l énerge solare nerfacés avec les données. C es prncpalemen une méhode de calcul du rayonnemen solare sur les surfaces arbraremen orenées quel que so l endro désré. La procédure commence avec l ulsaeur qu ndque un endro parculer pour lequel l a beson des paramères mééorologques, e elle se ermne avec la lvrason des données de la srucure désrée e dans le forma exgé Analyse des flux e des énerges sur le panneau OUEST : Les capeurs de flux sur les faces néreures e exéreures son connecés de elle manère que le sens posf es drgé de l exéreur vers l néreur (fgure 5. 11). Sur la fgure 5.12 e la fgure 5.13 on présene les densés de flux sur les faces néreure e exéreure de la façade de chaque cellule (sans e avec MCP respecvemen). On remarque que les densés de flux on une amplude ben supéreure dans le cas des cellules avec MCP. Le sockage e le désockage des paros sans MCP son rès fables par rappor à celles conenan du MCP. On présene égalemen la densé de flux solare sur la façade sud (vrage) e sur chaque façade oues. Ces densés de flux son dédues, à l ade du logcel METEONORM, des mesures du rayonnemen global horzonal. La densé de flux solare côé sud correspond à la pussance qu, à ravers le vrage, échauffe l amosphère néreure des cellules. On noe une cerane smlude enre la varaon de la densé de flux solare côé oues e la densé de flux mesurée sur la face exéreureϕ e, en parculer la poson des maxmums. ϕ e ϕ > 0 > 0 Fgure : Le sens posf du flux. 163

185 Densé de flux (W/m2) Rayonnemen solare (W/m2) /11/03 0:00 4/11/03 12:00 5/11/03 0:00 5/11/03 12:00 6/11/03 0:00 6/11/03 12:00 7/11/03 0:00 F9. Face In F10. Face Ex (Jour) SUD OUEST 0 Fgure : Cellule sans MCP Flux face OUEST Densé de flux (W/m Rayonnemen solare (W/m /11/03 0:00 4/11/03 12:00 5/11/03 0:00 5/11/03 12:00 6/11/03 0:00 F20. Face In F21. Face Ex SUD OUEST 6/11/03 12:00 0 7/11/03 0:00 (Jour) Fgure : Cellule avec MCP-Flux face OUEST. 164

186 a- Analyse des énerges sur le panneau OUEST de la cellule sans MCP Sur les dagrammes des densés de flux on dsngue les dfférenes phases de sockage/ désockage de l énerge solare. Sur la fgure 5.14 on présene les densés de flux exéreur e néreur pour deux journées consécuves e on rappelle les courbes d ensolellemen au sud e à l oues (fgure 5.15) Densé de flux (W/m2) Flux In.Face Oues Flux ex.face Oues (Jour) -20 4/11/03 0:00 4/11/03 12:00 5/11/03 0:00 5/11/03 12:00 6/11/03 0:00 Fgure : Varaons de la densé de flux pendan deux journées. Rayonnemen solare (W/m2) SUD OUEST (Jour) /11/ :00 04/11/ :00 05/11/ :00 05/11/ :00 06/11/ :00 Fgure : L ensolellemen au sud e à l oues. L ensolellemen de la cellule commence à 6h50, le rayonnemen solare rrade la paro à parr de 7h40 e ϕ > 0. En même emps le flux solare pénère dans la cellule par le vrage e 165

187 côé sud e l néreur de la cellule s échauffe ( ϕ < 0). Le flux ϕ perme à la paro de s échauffer suffsammen pour que ce flux so ransms à ravers la paro e à parr de 10h20, on a ϕ < 0 e ϕ < 0 (fgure 5.16). e ϕ e ϕ ϕ e ϕ 7h40 10h20 10h20 16h20 Fgure 5.16 : Sens des densés du flux duran la journée pour la paro sans MCP (de 7h40 à 14h20). A parr de 16h20, le rayonnemen solare pénère mons dans la cellule e la paro chaude «relargue» sa chaleur vers l néreur ( ϕ >0) comme vers l exéreur ( ϕ e <0). A parr de 18h20, la paro relargue essenellemen vers l exéreur ( ϕ e < 0, ϕ fable) (Fgure 5.17). ϕ e ϕ ϕ e ϕ 0 16h20 18h20 18h20 6h40 Fgure : Sens des densés du flux duran la journée pour la paro sans MCP (de 16h20 à 16h40). L énerge enran dans la cellule correspond au rayonnemen solare reçu par la face vrée, dmnué du rendemen de ransmsson du vrage esmé à 80%. L énerge enran dans la cellule pendan une journée es donc l négrale du flux enran so 9015 kj. De la même façon on calcule l énerge sockée dans la paro par : 166

188 0 ( ϕ ϕ ) Ad e En décomposan les dfférens ermes de l négrale on peu donner le blan suvan : Energe sockée par la paro due à l échauffemen de la cellule [ ϕ d < 0] : 184 kj ; Energe sockée due aux appors exéreurs [ ϕ ed > 0] : 5 kj ; Peres (ou énerge désockée) vers l exéreur [ ϕ ed < 0]: 186 kj ; Peres (ou énerge désockée vers l néreur Le blan global s éabl comme su : Energe ransmse à la paro : 189 kj ; Energe ransmse par la paro : 192 kj. [ ϕ d >0] : 6 kj. Pour cee journée e cee orenaon le blan sur une paro es à peu près équlbré sgnfan par là que la paro ransme le même flux dans chaque sens. Cec es vsble en consdéran la courbe donnan ( ϕ e ϕ ) de la fgure On peu consdérer que le sockage es rès fable. Densé de flux φe φ (W/m2) S 1? S 2 E sockée S 1 S 2 E désockée (jour) 4/11/03 0:00 4/11/03 12:00 5/11/03 0:00 5/11/03 12:00 6/11/03 0:00 Fgure : Blan des énerges échangées à la paro sans MCP. b- Analyse des énerges sur le panneau OUEST de la cellule avec MCP Sur la fgure 5.19 on présene, comme avec la cellule sans MCP, les densés de flux exéreur e néreur pour deux journées consécuves ans que les courbes d ensolellemen. 167

189 Densé de flux (W/m2) /11/03 0:00 4/11/03 12:00 5/11/03 0:00 5/11/03 12:00 6/11/03 0:00 Flux In. Face Oues (jour) Flux Ex. Face Oues Rayonnemen solare " Face SUD" Rayonnemen solare (W/m2) Fgure : Analyse des énerges échangées. L ensolellemen de la cellule commence à 6h50. La paro désocke de la chaleur vers l néreur de la cellule qu n es pas encore chaude ( ϕ 0, ϕ >0). A parr de 9h30 envron, l néreur de la cellule es suffsammen chaud pour que le flux néreur s nverse ( ϕ <0) (Fgure 5.20). e ϕ ϕ e 0 ϕ 6h50 9h30 9h30 12h40 Fgure 5. 20: Sens des densés du flux duran la journée pour la paro avec MCP (de 6h50 à 12h40). Le flux exéreur éan rès fable, cela vau dre que la paro socke l énerge qu pénère dans la cellule par le vrage (phase solde phase lqude). 168

190 A parr de 12h40 envron le solel éclare égalemen la façade oues on a donc ϕ e >0 ands que la paro à MCP connue à socker l énerge solare ransmse par la vre ( ϕ <0). A parr de 16h30 e pendan oue la nu, la paro désocke son énerge (phase lqude solde) ( ϕ e <0, ϕ >0) (fgure 5.21). ϕ e ϕ ϕ e ϕ 12h40 16h30 16h30 6h50 Fgure 5. 21: Sens des densés du flux duran la journée pour la paro avec MCP (de12h40 à 16h30). S l on fa le même blan que précédemmen : Energe sockée par la paro due à l ensolellemen de la cellule [ ϕ d < 0] : 956 kj ; Energe sockée, due aux appors exéreurs [ ϕ ed > 0] : 47 kj ; Peres (ou énerge désockée) vers l exéreur [ ϕ ed < 0] : 186 kj ; Peres (ou énerge désockée) vers l néreur [ ϕ d > 0] : 441. Le blan global es alors : Energe ransmse à la paro : 1003 kj ; Energe resuée par la paro : 627 kj. On remarque que la paro a, à l ssue de cee journée, socké une énerge de 376 kj. Cec correspond à envron 13% de la quané de MCP présene dans la paro. On rerouve ce résula sur la fgure 5.22 en comparan les surfaces S 1 e S

191 Densé de flux φe φ (W/m2) S 1 E sockée = 988 kj E désockée 606 kj (Jour) -30 4/11/03 0:00 4/11/03 12:00 5/11/03 0:00 5/11/03 12:00 6/11/03 0:00 S 2 Fgure : Blan des énerges échangées à la paro avec MCP Blan global de la cellule sur une journée: Pour ce blan nous avons égalemen enu compe des flux qu ne son pas mesurés par les capeurs. Ce son : - les flux radafs e convecfs du vrage ; - les flux à ravers la srucure d accuel des panneaux. Ces flux son calculés en esman leur coeffcen d échange global U. Pour le vrage, on a prs U g = 2,7 W/m 2.K e pour le cadre U f = 1,5 W/m 2.K. Les flux on éé calculés par : Φ pere = (U g A g + U f A f ) ( T T e ) La surface du vrage es A g = 0,64 m 2 e la surface équvalene du cadre es A f = 1,31 m 2. a- Avec MCP On peu effecuer le blan global présené sur le ableau 5.2. L appor prncpal es l ensolellemen reçu par la face vrée (9015 kj) avec une pere solare par le vrage e le cadre de 2478 kj. Donc l énerge sockée par le MCP provenan de ce appor solare es de 6537 kj. Une fable pare (116 kj) proven de la face exéreure (2% envron). Par conre, la déperdon la nu par l solan es mporane (1122 kj), ce qu correspond à 17% envron. L énerge resuée dans la cellule es donc de l ordre de 33% (2129 kj). 170

192 Le blan s éabl comme su : Energe oale sockée : 5144 kj e Energe oale désockée : 3251 kj. L énerge sockée es à comparer à la capacé de sockage de la cellule. La cellule es consuée de cnq panneaux conenan chacun 20 kg de PEG. Sachan que la chaleur laene du PEG es de 148 kj/ kg on oben une capacé de sockage de = kj On rouve que l énerge oale sockée présene 35% de la capacé de sockage. Tableau N 5. 2 : Blan hermque sur une journée de la cellule avec MCP Energe [kj] FACES SUD OUEST EST NORD PLAFOND PLANCHER TOTAL Solare reçu Solare enran Pere Solare par le vrage e le cadre 2478 Solare ne 6537 Sockée par le MCP depus l néreur Sockée par le MCP depus l exéreur Sockée au oal Désockée vers l néreur Désockée vers l exéreur Désockée au oal

193 b- Sans MCP Conraremen à l aure cellule, l n y a praquemen pas de sockage. Les énerges calculées corresponden à des gans ou des peres à ravers les paros. Les déperdons son de l ordre de 20 % (ableau 5.3). Tableau N 5. 3 : Blan hermque sur une journée de la cellule sans MCP Energe [kj] FACES SUD OUEST EST NORD PLAFOND PLANCHER Solare reçue Solare enran TOTAL Pere Solare par le vrage e frame Solare ne 6042 Appor par la face exéreure Par la face néreure Sockée au oal Désockée A quelques klojoules près (les écars provennen des erreurs cumulées enre l éalonnage des capeurs e la méhode de calcul par négraon) le blan es équlbré. 172

194 5. 5 Blan sur une longue pérode. Durablé des cellules ess. Les enregsremen on commencé le 26 aoû 2003 e son poursuvs acuellemen. Ils couvren donc une année complèe e ceranes pérodes peuven êre comparées. A re d'exemple, les évoluons des empéraures pour les dx premers jours de sepembre 2003 e de sepembre 2004 son présenées fgure 5.23.(a) e (b). On consae qu'après 365 cycles hermques, le MCP connue à jouer son rôle d'amorsseur hermque Tcellule sans MCP Tcellule avec MCP Te (a)- sepembre T( C) (Jour) : : : : : :00 70 (b)- sepembre T( C) Tcellule sans MCP Tcellule avec MCP Te : : : : : :00 (Jour) Fgure : Evoluon des empéraures néreures des deux cellules pour : (a) Sepembre (b) Sepembre

195 Sur une durée d un mos (Sepembre 2003 e Sepembre 2004), les écars moyens enre les exremums des empéraures néreures e exéreures son présenés ableau 5.4 Tableau N 5. 4 : Ecars de empéraure moyens pour une cellule à paros sans MCP e une cellule avec MCP Pérode 1-10 Sepembre Sepembre 2004 T e ( C) 17,63 18,74 T cellule sans MCP ( C) 34,22 43,16 T cellule avec MCP ( C) 13,33 18,05 Les courbes de la fgure 5.23 e les écars mesurés démonren donc la fablé de la paro pour la pérode consdérée. 174

196 5. 6 Concluson Dans ce chapre on a décr la concepon, la réalsaon e l nsrumenaon de deux cellules d essa. L une des cellules a des paros consuées d un solan placé enre deux panneaux. L aure cellule a des paros consuées d un solan e d un panneau conenan un MCP. L nsrumenaon perme de mesurer les empéraures néreures des cellules ans que les empéraures de paro. Des capeurs de flux permeen égalemen de mesurer les densés de flux de chaque côé des paros. Les résulas obenus son rès promeeurs. L effcacé du MCP es remarquable avec une dmnuon de l amplude de 20 C envron dans la cellule ayan des paros avec MCP e un phénomène de sockage/ désockage effcace. Après plus d une année de fonconnemen les panneaux de MCP conserven un bon comporemen. On a monré que le sockage e le désockage des paros sans MCP son rès fables par rappor à celles conenan du MCP. Les paros avec MCP semblen êre surdmensonnées. Néanmons, l es mporan de conserver une capacé de sockage de réserve. Les mesures obenues pour l éé 2003 consuen la base de données pour la smulaon numérque explquée dans le chapre suvan. 175

197 Chapre 6 Smulaon numérque sur des cellules ess 176

198 6. 1 Inroducon Le comporemen des cellules-ess a éé éudé par smulaon numérque en ulsan le logcel TRNSYS 15 avec IISBa. Les varaons du clma exéreur consuen les condons aux lmes exéreures, alors qu on a smulé la varaon de la empéraure néreure. On a comparé les résulas des smulaons avec ceux de mesures décres dans le chapre précéden. Une smulaon supplémenare a éé fae pour des cellules denques en dmensons e en orenaon à nos cellules mas en srucure radonnelle de béon e solan. La smulaon a éé effecuée en négran à TRNSYS un nouveau sous-programme appelé Type, créé par une équpe fnlandase [70] qu résou l équaon de conducon en ros dmensons avec un maérau qu change de phase. Les résulas obenus permeen d analyser le comporemen de dfférenes srucures du bâmen en smulan ces srucures, ans que de défnr le melleur emplacemen où l fau placer le MCP dans la srucure Présenaon de TRNSYS Généralés TRNSYS es un programme de smulaon de sysème (hermque, hydraulque,.) avec une srucure modulare. On consdère que ce sysème es un ensemble de composans nerconnecés pour accomplr une âche donnée. Il es donc possble de smuler la performance du sysème par une smulaon collecve des composans qu on éé nerconnecés. L avanage d un el sysème modulare es que de nombreux composans peuven êre communs à pluseurs sysèmes dfférens pourvu que les performances de chaque composan, prs ndvduellemen, soen décres sous une forme générale donnée. La descrpon d un composan es réalsée sous forme mahémaque e mse sous la forme d un programme FORTRAN. Chaque composan s appelle un «Type» auquel es assgné un nombre. Par exemple le Type56 conen un modèle de bâmen d «mul-zones». De même, le Type 65 perme d éder les résulas. Une fos un Type chos l conven de ler les dfférens Types enre eux. On consru donc un dagramme des flux d nformaon (nformaon flow dagramme) qu perme de drger les résulas d un composan à l aure. Avec le programme TRNSYS son fourns sep programmes ulares don PREBID e IISBa décrs plus lon. En effe, les sysèmes complexes on un fcher d enrées complexe. Pour alléger ce problème, TRNSYS nclu des nerfaces graphques. Celle qu nous néresse dans cee éude es IISBa Descrpon générale d un Type Le programme représenan un Type es consué de sous-programmes ayan un ensemble d enrées (npus) e de sores (oupus) pouvan êre appelées à parr d un fcher. Les enrées son de deux sores : 177

199 - Des enrées qu ne changen pas avec le emps. Ce son les paramères ; - Des enrées qu changen au cours de la smulaon. Ce son les npus. Lorsqu on fourn ces enrées, on a donc : - so des valeurs consanes ; - so des sores d une aure uné. Dans ce cas on do fournr deux nombres, le numéro de l uné qu fourn ces oupus e le nombre de ces oupus IISBa IISBa es un acronyme qu sgnfe : Inerface Inellgene pour la Smulaon de Bâmens. C es un oul qu réalse l nerface graphque de pluseurs programmes de smulaon numérque don TRNSYS. Dû à sa flexblé, IISBa peu ncorporer de nombreux ouls numérques. De cee façon, un ensemble comple qu va des programmes de smulaon jusqu aux programmes de racé de courbes peu êre nrodu. De plus, les versons acuelles ulsen l envronnemen de Mcrosof Wndows. Dès sa mse en roue IISBa propose une fenêre prncpale dans laquelle on peu accéder à ous les ouls an d IISBa que de TRNSYS. De plus, les Types exsans son égalemen proposés. A ces Types son assocées des cônes qu l suff de placer à l néreur de la fenêre e de reler par des lens orenés (Fgures 6.1 e 6.2), les oupus de l un seron les npus d un ou de pluseurs aures. Fgure 6. 1 : Fenêre vde (IISBa Assembly Wndow). 178

200 TYPE9a TYPE9a ype56 ype56 Chox de deux Types Lason des Types enre eux Fgure 6. 2 : Remplssage des fenêres. Pour créer un nouveau Type, l fau d abord écrre le programme en FORTRAN (ou évenuellemen dans un aure langage) pus négrer ce Type dans TRNSYS à l ade de procédures spécfques. A ce momen là on peu l appeler à parr d IISBa Type 56 C es ce Type là que nous ulserons par la sue pour smuler le bâmen consuan une cellule d essa. Ce modèle perme de défnr un bâmen mul-zones e calcule les neracons enre deux ou pluseurs zones en résolvan les équaons dfférenelles couplées. Les murs, plafonds e planchers son modélsés selon l approche des foncons de ransfer de l ASHRAE *. La complexé d une descrpon mul-zones es smplfée par l ulsaon d un préprocesseur PREBID qu génère un fcher qu décr les sores ans que les enrées nécessares au Type 56. * ASHRAE: Amercan Socey of Heang, Refrgerang and Ar-Condonng Engneers 179

201 Descrpon succnce du modèle [71] Zone hermque Le modèle de bâmen es un modèle non-géomérque où l on défn un nœud par zone. A chaque nœud, on effecue un blan hermque en affecan ce nœud d une capacé hermque représenan la masse d ar dans la zone ans que les aures composans évenuels (mobler par exemple). Ans la capacé hermque d une zone de même que son volume es une enrée. Le blan peu se décomposer en ros ermes : le erme convecf, le erme radaf e le erme de couplage avec les aures zones. a- Flux de chaleur convecf à un nœud La somme des flux au nœud peu s écrre (Fgure 6.3) :. Q. = Q surf,. + Q nf,. + Q ven. + Q g, c,. + Q cp lg, Q. ven. Q nf,. T e. Q T ar Q surf, T zone,. Qcp lg,. Q g, c, Fgure 6. 3 : Blan des flux sur un nœud. Où:. Q surf, : le ransfer de chaleur par convecon provenan de oues les surfaces néreures[kj/h];. Q surf, = h w,. Aw,.( Tp, T ar ) h w, : éan le coeffcen d échange enre la paro e l amosphère néreure; A w, : éan la surface d échange enre la paro e l amosphère néreure ; T ar : éan la empéraure de l amosphère de la zone éudée ; T p, : éan la empéraure de paro. 180

202 Q. nf, : le gans par nflraon (le flux d ar provenan seulemen de l exéreur) [kj/h];. Q nf,. = V nf. ρ. C p.( T. V nf : éan le déb volumque de l ar nflré; T e : éan la empéraure exéreure. e T ar ) Q. ven : le gan par la venlaon (le flux d ar d une source défne par l ulsaeur) [kj/h] ;. ven, Q. = V ven. ρ. C p ( T venlaon T V. ven éan le déb volumque de la source de venlaon ; T venlaon éan la empéraure de soufflage. ar ). g, c, Q : le gan néreur (par les occupans, l équpemen, l éclarage, les radaeurs,.) [kj/h] ;. Qcp lg, : le gan de la zone ou des condons aux lmes. cp lg, Q. = V cp lg. ρ. C p.( Tzone, T. V cp lg : éan le déb volumque de l ar provenan de la zone adjacene à la zone ; T zone, : éan la empéraure d une zone adjacene à la zone. Dans nore cas spécfque, la venlaon, les occupans e l équpemen n on pas éé prs en compe. ar ) b- Le gan par rayonnemen sur une paro. Q nf, T p, T ar Gan radaf Gan solare à ravers les vrages dsrbué aux aures paros Fgure 6. 4 : Flux radafs en consdéran la empéraure du nœud représenan la surface d une paro. 181

203 Où:. Q r, w. Q g, r,,. Q sol, w. Q long,. Q w w wall gan. Q r, w. = Q g, r,, w. + Q sol, w. + Q long, w. + Q wall gan : gan radaf pour le noeud correspondan à un mur w de la zone [kj/h] ; : gan radaf nerne reçu par le mur w [ kj/h] ; : gans solares au ravers des fenêres de la zone, pour le mur w [kj/h] ; : échange radaf (aux grandes longueurs d onde) enre le mur w e les aures murs e/ ou les fenêres de la zone (émssvé ε =1) [kj/h] ; : flux hermque spécfque (fourn par l ulsaeur) sur le mur w [ kj/h]. c- Terme de couplage Ce erme défn le déb massque d ar qu une zone reço d une aure zone. Le erme correspondan do êre défn dans une ou pluseurs zones adjacenes qu reçoven le même déb en reour. (Exemple fgure 6.5). + pour + j pour j Fgure 6. 5 : Exemple de couplage Paros e fenêres Pour chaque paro, les flux sur les deux surfaces son déermnés en foncon des gans des zones adjacenes (fgure 6.6). Exéreur. Q r, a, e. Q r, a, Inéreur Q. r, s, e. Q r, s,. c, s, e T Q pe Tp. Q c, s, Fgure 6. 6 : Flux échangés à la surface d une paro. 182

204 Où :. Q r, a, e. Q r, a,. Q r, s, e. Q r, s,. Q c, s, e. Q c, s, : le flux radaf absorbé par la surface exéreure (gans solare) : le flux radaf absorbé par la surface néreure (gans radafs e solare) : le ransfer radaf ne de chaleur avec les aures surfaces côé exéreur. : le ransfer radaf ne de chaleur avec oues les aures surfaces dans la zone. : le ransfer de chaleur convecf enre la surface exéreure e l amosphère. : le ransfer convecf enre la surface néreure e l amosphère de la zone T pe : la empéraure de la surface exéreure T p : la empéraure de la surface néreure. Q,. Q,. Q, Les flux c, s, r, s permeen de déermner surf. Deux cas peuven se présener : so le mur a une grande capacé hermque, so l peu êre consdéré comme mnce. Dans ce derner cas on ne le représenera que par sa réssance hermque équvalene Equaons du modèle Le aux de varaon de l énerge nerne peu s écrre dt d C =. Q où C es la capacé hermque de la zone. Le gan Q. es égalemen foncon de T e des empéraures des zones adjacenes à la zone. On oben donc un sysème d équaons que le logcel résou smulanémen PREBID PREBID es le préprocesseur qu fourn les fchers de données nécessares à l ulsaon du Type 56. A l ouverure du logcel l ulsaeur peu remplr le forma proposé e décrre chaque zone hermque alernavemen. Les nformaons enrées dans PREBID son sauvegardées dans un fcher (*.bu). Ce fcher génère de nouveaux fchers : - un fcher conenan les nformaons géomérques du bâmen (*.bld) ; - un fcher conenan la foncon de ransfer ASHRAE pour les paros (*.rn). Ces deux fchers son ulsés par Type 56 pendan le processus de la smulaon. 183

205 De plus, un fcher d nformaons es généré (*.nf), qu monre le fcher (*.bu) ans que les npus e oupus nécessares au Type 56. En oure, les propréés des fenêres ne son pas complèemen défnes avec PREBID. Un fcher supplémenare W 4 -LIB do êre affecé à la smulaon. Sur la fgure suvane (fgure 6.7), on résume les lens enre les dfférens ouls de TRNSYS. 1- Données du bâmen PREBID Buldng.bu 2- Créaon d un fcher TRNSYS W4-lb.da Buldng.bld Buldng.rn Buldng.nf Wndow lbrary fle Descrpon fle Transfer funcon fle Informaon fle Type 56 PARAMETER Inpu Buldng.dck IISBa Edor Oupu Type 56 TRNSYS smulaon Resuls On-lne Type 65 Fgure 6. 7 : Les lens enre les dfférens ouls de TRNSYS. 184

206 6. 3 Modèle de smulaon d une paro. Le Type 101 Le logcel TRNSYS ne prend en compe que des paros sous la forme solde. Une paro conenan un MCP n es donc pas négré à TRNSYS. Un nouveau Type décrvan une paro à MCP a donc éé créé e négré au logcel. Ce Type ulse un modèle qu prend en compe le changemen de phase à l ade d une capacé hermque équvalene (paragraphe 2.6). Ce Type a éé réalsé à l Unversé de echnologe d Helsnk par Pa e Lamberg [70] e nous l avons mplané dans TRNSYS Descrpon du modèle [72] [74] La paro es décre en 3D à l ade d un mallage de 729 nœuds (9.9.9). La convecon, le rayonnemen e la conducon son prs en compe. On peu calculer la empéraure dans chaque nœud en résolvan l équaon de la chaleur dans les dfférenes couches de MCP en prenan une capacé hermque équvalene varable. La résoluon es effecuée en ulsan une méhode de dfférences fnes (Crank-Ncolson, paragraphe b). Il es possble d affecer un maérau dfféren à chaque nœud. Le pas de emps chos es 300 s [73]. La capacé hermque équvalene qu es prse es la plus smple possble suvan les ndcaons énoncées paragraphe 2.6. Les aueurs qu on créé le modèle on légèremen modfé la méhode en enan compe de l effe de la surfuson comme l on fa Peppo e al. [9]. Cee capacé hermque massque s écr : ' L C pe = + C p T T 2 Lorsque la empéraure augmene, pour l nervalle [T 1, T 2 ], la capacé hermque massque es donc : C p ; T T1 C p ( T ) = C pe ; T1 T T2 C p ; T T2 1 C p éan la capacé hermque à l éa solde ou à l éa lqude. Lorsque la empéraure dmnue, l es supposé que le maérau présene une surfuson de 1 K. Dans l nervalle [T 1-1, T 2-2] la capacé hermque s écr donc : C p C ( T ) = C C p pe p ; T ( T ; ( T 1 1 ; T ( T 1) 1) T ( T 2 1) 2 1) Ce comporemen es résumé sur la fgure

207 C p (T) C pe Soldfcaon Fuson C p T ( C) T 1-1 T 1 T 2-1 T 2 Fgure 6.8 : Capacé hermque massque en foncon de la empéraure ulsée dans le Type

208 6. 4 Condons de smulaon Condons aux lmes Les cellules-es on éé nsallées à l exéreur. Les condons aux lmes de nore problème seron donc les condons amosphérques réelles. Pour cela, on ulse les données de la saon mééo exsan au CSTB Grenoble. Les condons aux lmes nécessares son la varaon journalère de la empéraure exéreure, le rayonnemen solare drec e dffus sur chaque façade selon son orenaon, l humdé e la empéraure de cel. Pour chaque surface, on conserve son nclnason : vercale ou horzonale. Pour la fenêre, on donne son nclnason e son orenaon (fgure 6.9). Drec Dffus Fgure 6. 9 : Condons aux lmes du problème Données ssues du fcher mééo Chaque fcher es consué des nformaons suvanes : - le numéro du jour de l année ; - l heure de l année ; - la empéraure ambane sèche en C ; - la empéraure de rosée [ C] ; - la vesse du ven en m/s; - le rayonnemen drec horzonal en W/m 2 ; - le rayonnemen dffus horzonal en W/m 2 ; - le pourcenage de l humdé relave. Ces données, ans que l azmu e l nclnason de chaque surface consuen les condons aux lmes des cellules es. 187

209 Descrpon des maéraux e des paros Dans le ableau 6.1 on rappelle les dmensons avec les caracérsques physques des maéraux ulsés dans la smulaon pour les cellules sans e avec MCP. Toues les propréés son communes aux cellules sauf celles dans la colonne PEG 600 qu ne concerne que la cellule ayan des paros avec MCP (fgure 6.10) Tableau N 6. 1 : Les propréés physques des maéraux de srucure des cellules es avec e sans MCP Paros nord, sud, Wes, es, o e plancher Conre plaqué VIP PEG Fbre Ar Plasque PVC Paro sud Epasseur [mm] ,5 - λ [W/ m.k] 0,095 (mesuré) 0,01 0,160 0,5847 (mesuré) 0,025 0,2 - ρ [kg/m 3 ] ,29 - C p [J/kg. K] R [m 2.K/W] 0,0075 0,625 U [W/ m 2 K] ,6 - a - - b - - a - VIP VIP Panneau MCP Ar VIP - b - Ar VIP Panneau MCP Paro sauf plafond Plafond Fgure : Srucure des paros (a) cellule sans MCP (b) cellule avec MCP 188

210 Les caracérsques physques e géomérques de chaque paro son renrées dans TRNSYS par l nermédare de PREBID. Dans un premer emps, l n es pas enu compe des pons hermques pouvan survenr à la joncon des paros La smulaon numérque Dfférenes ypes de valdaons on éé fas : - smulaon de cellule-es sans MCP ; - smulaon de cellule-es avec MCP ; - smulaon de cellule-es en srucure radonnelle Cellule-es sans MCP Avan de smuler la cellule-es à MCP e pour vérfer nore modèle TRNSYS avec IISBa, on a commencé par la smulaon de cellule-es sans MCP e on a comparé les résulas à ceux obenus par la mesure. Pour décrre la srucure des cellules, on a ulsé le Type 56 noan qu l n y a qu une seule zone dans nore cas. La fgure 6.11 monre le dagramme général ans que le dagramme en TRNSYS15 avec IISBa. Donnés mééo Tempéraure de rosée Rayonnemen solare Tempéraure de cel Zone modèle Fgure : Ulsaon d IISBa pour smuler une cellule sans MCP. Lens enre les dfférens Types. La fgure 6.12 monre une comparason enre la smulaon e la mesure pour la cellule-es sans MCP pour quelques jours du sepembre. 189

211 T( C) Cellule-es sans MCP (sepembre) 10 (jour) 6/9/03 7/9/03 8/9/03 9/9/03 10/9/03 11/9/03 12/9/03 13/9/03 14/9/03 15/9/03 16/9/03 Tcellule-s- (smul) Tcellule -s-(mesure) Τ Fgure : Comparason enre la smulaon e la mesure pour la cellule-es sans MCP pendan 10 jours de sepembre. Les courbes de l ensolellemen correspondan son présenées sur la fgure Rayonnemen solare (W/m (Jour) /9/03 0:00 7/9/03 0:00 8/9/03 0:00 9/9/03 0:00 10/9/03 0:00 11/9/03 0:00 12/9/03 0:00 13/9/03 0:00 14/9/03 0:00 15/9/03 0:00 16/9/03 0:00 Fgure : Ensolellemen côé sud dédu des mesures d ensolellemen horzonal global. On noe l excellen accord enre la smulaon e les mesures valdan ans le modèle. Il peu exser néanmons un léger décalage emporel enre les mesures e la smulaon dû sans doue à un décalage enre les données mééo e les valeurs de empéraures mesurées. L absence de venlaon dans les cellules explque le nveau de empéraure aen. La comparason des résulas expérence-smulaon pour ou le mos es donnée annexe 9. Le résula obenu perme donc de valder le modèle ulsé. On présene égalemen l écar de empéraure T enre smulaon e expérence. L écar maxmal es de 7 C pour une amplude de 45 C. 190

212 Cellule-es avec MCP La smulaon de la cellule-es a éé fae en combnan le Type 101 e le modèle défn pour la cellule-es sans MCP avec quelques modfcaons nécessares. La fgure 6.14 monre le dagramme de ce modèle pour smuler la cellule-es avec «TRNSYS15 avec IISBa». Données mééo Type 56 (Mul zones) Donnés mééo Tempéraure de rosée Charge radave sur la surface du mur Tempéraure de l néreur Rayonnemen solare Tempéraure de cel Tempéraure de paro Type 101 (Paro 3D- MCP) Zone modèle Type 56 Résula de smulaon Paro MCP Fgure : Ulsaon d IISBa. Lens enre les dfférens Types Propréés physques du MCP ulsé Les masses volumques du MCP lqude e solde son consdérées égales (1180 kg/m 3 ), de même que les capacés hermques massques. La capacé hermque massque équvalene duran le changemen d éa es prse enre les empéraures 20 e 25 C Résulas Sur la fgure 6.15 on monre les résulas d une smulaon numérque pour la cellule-es pendan quelques jours du mos de sepembre 2003 (pour l ensemble du mos vor annexe 9). On remarque un bon accord qualaf enre smulaon numérque e expérence. L écar moyen de empéraure enre la smulaon e la mesure es pour cee pérode de 3,4 K. Cee dfférence peu êre due à pluseurs rasons : - l mprécson du gan par rayonnemen ; - l mprécson sur les empéraures de fuson e de soldfcaon du MCP ; - la valeur des coeffcens d échange convecfs enre les paros e l amosphère ; - l exsence de pons hermques dans la paro, non prse en compe. 191

213 T ( C) cellule -es avec MCP (sepembre) ( jour) 0 6/9/03 8/9/03 10/9/03 12/9/03 14/9/03 16/9/03 Tcellule-a-mcp (smul) Tcellule (mesure) Texéreure Fgure : Comparason enre la smulaon numérque e la mesure pour la cellule-es avec MCP pour les dx premers jours de sepembre L esmaon du gan par rayonnemen es fae au ravers des coeffcens d absorpon e de réflexon des paros e des vres. On a prs des coeffcens d absorpon de 0,6 e en les fasan varer auour de cee valeur, on a monré ans que leur nfluence éa fable sur les résulas. Nous avons égalemen fa varer l nervalle de empéraure du changemen d éa, so en déplaçan ce nervalle ([21, 24] [20, 23]), so en modfan l écar ([21, 24] [22, 24]). Là encore l nfluence s es révélée fable. Concernan les coeffcens d échange convecf, ces derners son consdérés comme des données que l on do renrer lors de la défnon des paros. Ce son des coeffcens d échanges en convecon naurelle que l on do esmer en foncon de l écoulemen de l ar au vosnage de la paro e de l écar de empéraure. Nous avons prs des valeurs consanes (de l ordre de 3 W/m 2.K sur la surface nerne e de 15 W/m 2.K sur la surface exerne). Ce pon demandera un développemen spécfque pour que l on pusse répondre au problème à chaque nsan Le problème des pons hermques La cellule-es éudée présene des pons hermques aux joncons de chaque paro, so de deux paros so de ros paros. Le logcel perme de renrer les réssances lnéques e les longueurs correspondanes. Nous avons donc esmé les valeurs de ces réssances e les avons ajusées pour obenr un melleur accord enre smulaon e expérence. La fgure 6.16 (a) présene les résulas obenus pour une réssance lnéque de 0,6 m.k.h/kj sur une paro avec MCP. On peu consaer un melleur accord enre courbe smulée e courbe expérmenale. 192

214 T( C) (Jour) 11/12/03 0:00 12/12/03 0:00 13/12/03 0:00 14/12/03 0:00 15/12/03 0:00 16/12/03 0:00 17/12/03 0:00 18/12/03 0:00 19/12/03 0:00 20/12/03 0:00 21/12/03 0:00 1: Smulaon sans pon hermque 3- smulaon avec pon hermque 2- T mesurée 4- empéraure exéreure Fgure 6.16(a) : Evoluon des empéraures calculées par smulaon numérque. Comparason avec e sans pon hermque. Sur la fgure 6.16 (b) en présene les écars de empéraure enre la smulaon e l expérence pour les deux cas avec e sans pon hermque. On remarque la rès nee améloraon de l écar smulaon expérence. On me ben en évdence l exsence des pons hermques pusque la valeur moyenne de l écar se rapproche de zéro T( C) 1- T (smule mesure) 2- T (smule avec pon hermque mesure) (jour) 11/12/03 0:00 12/12/03 0:00 13/12/03 0:00 14/12/03 0:00 15/12/03 0:00 16/12/03 0:00 17/12/03 0:00 18/12/03 0:00 19/12/03 0:00 20/12/03 0:00 21/12/03 0:00 Fgure 6.16 (b) : Ecar de empéraure enre la smulaon e l expérence. 193

215 Le résula pour une paro sans MCP n es pas présené car les deux courbes avec e sans pon hermque son praquemen superposées (Annexe 10) Comparason avec une aure concepon de srucure de la cellule Le modèle ms au pon a éé ulsé pour smuler des cellules possédan des paros de srucures dfférenes. A re d expérence une smulaon a éé effecuée pour des cellules denques en dmensons à nos cellules mas avec des paros radonnelles en béon assocé ou non à du MCP Cellules à paros radonnelles en béon Nous avons éudé deux cas le premer avec une solaon néreure, le second avec une solaon exéreure Isolaon néreure Une coupe de la paro es présenée sur la fgure Cee paro es consuée d un cœur en béon d épasseur 18 cm avec une solaon en PolySyrène Expansé (PSE) classque d épasseur 8 cm. Exéreur Inéreur Morer 1 cm Béon PSE Plâre 1 cm Cas 1 Fgure : Coupe d une paro en béon solée de l néreur. Sur la fgure 6.18 on présene une comparason enre la empéraure néreure des cellules-es avec e sans MCP e la empéraure néreure smulée d une cellule à paros en béon. Les condons clmaques son denques pour oues les cellules consdérées. On remarque que l nere hermque de la paro en béon es supéreure à celle de la paro mnce déjà décre. On remarque cependan que la paro mnce à MCP présene une nere encore supéreure e perme une plus grande aénuaon des varaons de empéraure. 194

216 Cellule en béon Cellule sans MCP Cellule avec MCP T e (h) Fgure : Evoluon des empéraures calculées par smulaon numérque. Comparason des cellules ess e d une cellule ayan des murs en béon. Isolaon par l néreur Isolaon exéreure Le mur es denque au précéden ms à par la poson de l solan placée enre le morer e le béon (fgure 6.19). Exéreur Inéreur Morer 1 cm PSE Béon Plâre 1 cm T( C) Cas 2 Fgure : Coupe d une paro en béon solée de l exéreur. 195

217 70 Cellule sans MCP Cellule en béon cas 1 Cellule en béon cas 2 Cellule avec MCP T( C) Te (h) Fgure : Evoluon des empéraures calculées par smulaon numérque. Comparason des cellules ess e d une cellule ayan des murs en béon. Isolaon par l exéreur. Sur la fgure 6.20 son reporées la empéraure néreure ans que les empéraures néreures dans chaque cas : cellule sans e avec MCP e les deux cas de cellule en béon. On remarque l excellene nere hermque de la paro dans laquelle le béon es solé du côé exéreur (cas 2). Cependan cee paro es épasse e lourde e ne correspond pas à nos objecfs (enveloppe légère) Cellules à murs de srucure radonnelle mas avec o e plancher avec MCP Les murs on une srucure denque à celles des cas précédens (cas 1) e le o e le plancher on une srucure denque à celle des cellules-es. Par souc d homogénéé, on reen la même séquence clmaque que précédemmen. Les résulas son présenés fgure

218 T( C) T e : cellule sans MCP 3: cellule en béon 2: cellule avec MCP 4: cellule, plancher e o en paros à MCP (h) Fgure : Comparason de l évoluon des empéraures néreures pour 4 ypes de cellules. On fa les remarques suvanes : - la cellule ayan oues les paros avec VIP e MCP a la plus grande nere hermque - l ulsaon de paro à MCP pour le plancher e le o amélore sensblemen l nere d une consrucon à srucure radonnelle. Une elle srucure pourra êre reenue pour ceranes applcaons Influence de l épasseur de la paro à MCP sur la empéraure néreure Une smulaon de la empéraure néreure d une cellule es a éé fae en donnan dfférenes épasseurs à la paro conenan le MCP. La fgure 6.22 monre une comparason pour des paros d épasseur de 10, 15, 20, 25 e 30 mm pour une journée de sepembre

219 50 T( C) mm 15 mm mm 30 mm 35 mm Te /9/03 0:00 4/9/03 4:48 4/9/03 9:36 4/9/03 14:24 4/9/03 19:12 (Jour) 5/9/03 0:00 5/9/03 4:48 5/9/03 9:36 Fgure : Influence de l épasseur sur l évoluon des empéraures néreures d une cellule avec paro à MCP. On a rouvé en fasan le blan global sur une journée que, pour une paro de 25 mm, l y a une quané de MCP qu rese oujours solde, cec devan permere au MCP de socker une énerge supplémenare. La smulaon monre, pour les condons clmaques éudées, qu à parr d une épasseur de 25 mm la paro ne gagne pas en effcacé. On consae donc que, ben que ou le MCP ne change pas d'éa, une épasseur de 25 mm es un bon comproms enre l'effcacé de la paro e la quané de MCP à prévor. Le ableau 6.2 présene la empéraure néreure de la cellule-es pour chaque épasseur à 14h de cee journée. Tableau N 6. 2 : Influence de l épasseur sur la empéraure Epasseur [mm] Tempéraure [ C] 44,13 40,41 38,73 37,82 37,27 36,86 198

220 6. 8 Concluson L objecf de ce chapre éa d éuder le comporemen des cellules-ess par smulaon numérque à l ade du logcel TRNSYS15 avec IISBa. L ulsaon de ce logcel a nécessé la créaon d un nouveau Type pour raer le problème de changemen de phase de maéraux car ce problème n éa pas prs en compe par le logcel ulsé. La smulaon a éé effecuée avec les mêmes condons mééorologques que l expérence. L accord des résulas numérques s es monré sasfasan auss ben pour les cellules avec des paros sans MCP que celles avec MCP. Le logcel a éé égalemen ulsé pour fare une éude numérque d aures ypes de cellules. Les cellules éudées avaen des dmensons denques aux cellules es mas les paros éaen consuées de maéraux dfférens. Des srucures radonnelles (béon+polysyrène expansé) on éé comparées aux cellules ess. Pour une solaon exéreure, la paro mnce avec MCP a une nere mons mporane que la srucure radonnelle mas a une épasseur neemen plus fable. Elle a cependan une nere plus mporane que cee dernère avec solan exéreur. Ces résulas on éé obenus pour des condons mééorologques correspondan au mos de sepembre. On peu néanmons remarquer que les mesures uléreures on monrés que les paros avec MCP on joué le rôle d amorsseur hermque pendan une grande pare de l année. L ulsaon de ce ype de logcel présene des avanages consdérables par rappor à un logcel spécfque. En effe, moyennan l mplanaon du nouveau Type, n mpore quel ulsaeur es capable d effecuer une smulaon numérque d un bâmen ayan des paros à MCP. 199

221 Concluson générale Les objecfs défns au débu de ce raval on éé aens. Une paro assocan un panneau de fable coû, un maérau à changemen de phase e un super-solan a éé réalsée, esée e modélsée. Une cellule-es ulsan ces paros a éé consrue e ses performances on éé comparées à celles d une cellule-es ayan des paros classques. Le comporemen hermque de ces deux cellules a éé modélsé e comparé aux résulas expérmenaux. Pour aendre ces objecfs, deux ypes d expérmenaon on éé ms en place. Dans le premer, un banc d essa permea de soumere les deux surfaces d une paro à des condons de empéraure ou de flux prédéfnes. L évoluon des flux e des empéraures en foncon du emps a perms de déermner la capacé de sockage de ces paros. Deux maéraux à changemen de phase on éé ulsés : une paraffne condonnée sous la forme de granulas e un polyéhylène-glycol, les empéraures de fuson de chaque maérau éan vosnes de 23 C. Pluseurs paros on éé conçues e esées. La premère consuée d un mélange plâre granulas de MCP a éé rapdemen abandonnée. La seconde consuée d un panneau de polycarbonae rempl de granulas a ms en évdence le beson d un grand volume de granula e l nfluence de la mauvase conducvé hermque moyenne. La rosème enfn consuée d un panneau en PVC rempl de polyéhylène-glycol a perms d obenr des résulas compables avec l ulsaon vsée. Le deuxème ype d expérmenaon a conssé à consrure deux cellules es, l une avec des paros classques, l aure avec les paros défnes par le premer ype d expérmenaon. Ces cellules placées à l exéreur on éé soumses aux conranes clmaques depus l éé L évoluon des empéraures néreures, ans que celle des densés de flux e des empéraures à la surface des paros a éé mesurée. On a ans monré que les paros conenan le MCP jouaen convenablemen leur rôle d «amorsseur hermque» e que les flucuaons des empéraures néreures éaen consdérablemen rédues. Les résulas des deux expérmenaons on éé analysés héorquemen. L analyse héorque des résulas relafs à la paro seule a éé fae à l ade du logcel de conducon de la chaleur «Heang» qu peu raer les problèmes avec changemen de phase en régme nsaonnare en deux ou ros dmensons. On a obenu un accord sasfasan enre expérence e héore. Néanmons, des améloraons pourraen êre apporées en effecuan des mesures sysémaques de ceranes propréés physques don les valeurs ne semblen pas êre exacemen celles données par le fournsseur. L analyse héorque des résulas concernan les cellules es a éé réalsée à l ade du logcel de smulaon de bâmens TRNSYS. Un modèle de paro conenan un MCP a éé mplémené dans le logcel e les condons aux lmes on éé celles des condons clmaques de la pérode de mesure. Un excellen accord a éé obenu enre héore e expérence. Malgré la smplcé du mallage, l apparaî que les résulas obenus représenen ben les expérences réalsées. Ce bon accord pourra êre dû à la séquence clmaque chose. En fa, l n y a eu aucun chox préalable pusque la pérode smulée éa la seule dsponble 200

222 au momen des calculs. Il es clar cependan que ceranes pérodes clmaques son plus favorables à l ulsaon de paro à MCP que d aures. Ce programme pourra donc, par la sue, êre proposé à d aures ulsaeurs pour modélser les bâmens comprenan de elles paros e cec es un avanage consdérable comparé à d aures éudes anéreures. Ce raval a donc perms d éablr le ben fondé du concep de couplage MCP e super-solan proposé pour réalser l enveloppe légère d un bâmen. Les résulas obenus ouvren de nombreuses perspecves qu nécessen la poursue de ces éudes e la mse en place d expérences complémenares. Pluseurs drecons de recherche peuven êre d ores e déjà défnes : En premer leu, l ulsaon d aures MCP (mélanges d acdes gras en parculer) devra êre enreprse avec des mesures de propréés physques e des essas de vellssemen. En second leu, d aures ypes de condonnemen de MCP (mcroencapsulaon) devron êre esés pour paller le prncpal nconvénen du sysème acuel qu es le respec de l éanchéé de la paro. D aures ypes de panneaux pourron êre conçus en foncon de leur ulsaon e/ou de leur poson dans le bâmen (mobler spécfque, plafond, plancher, paro exéreure, closon). Le couplage sysème passf (sockage)/sysème acf (chauffage e condonnemen d ar) nécessera égalemen des éudes poussées pour opmser les coûs e les rendemens énergéques pour un confor donné. L opmsaon de l ulsaon des appors solares rese un élémen essenel de la problémaque dans le conexe acuel. Les recherches acuelles s orenen dans pluseurs drecons. - au nveau du composans, en éudan des vrages mcrosrucurés qu permeen de réfléchr ou de ransmere le rayonnemen solare vers un sockage à MCP ou en réalsan des sysèmes hybrdes couplan sockage laen e converson phoovolaïque. - au nveau de l ensemble du bâmen, en prenan en compe oues les sources de producon ou d économe d énerge. L ensemble ans défn monre que non seulemen ce raval es un aboussemen mas qu l consue une ouverure vers d aures recherches. 201

223 REFERENCES [1] S.M. Hasnan, Revew on susanable hermal energy sorage echnologes, Par I: Hea sorage maerals and echnques, Energy research, Vol. 39(11), pp , [2] D.W. Hawes, D. Banu and D. Feldman, Laen hea sorage n buldng maerals, Energy and Buldngs, Vol. 20, pp , [3] D. Feldman, D. Banu, D. Hawes, A. Ahens and C. Lu, Energy sorage buldng maerals wh organc PCM's, 28 h Inersocey Energy Converson Engneerng Conf, Georga, Ala, Vol. 2, pp , Augus 8-13, 1993 [4] Crsopa Energy Sysem. Manuel echnque. Vence 5 France, [5] H.E. Feusel, Fuure Buldng Forum, hp:// [6] C.K. Josh, D.Y. Goswam and J.J. Tomlnson, Solar hermal energy sorage n phase change maerals, n proc ASES Annual Conf, USA, [7] S. Eckhoff and M. Okos, Solar energy hea sorage for home, farm and small busness: suggesons on selecng and usng hermal sorage maerals and facles, hp://persephone.agcom.purdue.edu. [8] D.W. Hawes, D. Banu and D. Feldman, Laen hea sorage n concree. II, Solar energy maerals, Vol. 21, pp , [9] K. Peppo, P. Kauranen and P. D. Lund, A mulcomponen PCM wall opmzed for solar heang, Energy and buldngs, Vol.17, pp , 1991 [10] D. Feldman, D. Banu, D. Hawes, Low chan esers of searc acd as phase change maerals for hermal energy sorage n buldngs, Solar Energy Maerals and Solar Cells, Vol. 36, pp , [11] I.O. Salyer, A. K. Srcar, Developmen of phase change echnology for heang and coolng of resdenal buldngs and oher applcaons, Proceedngs of he 28 h nersocey energy converson engneerng conference, 8-13 Aoû 1993, Alana. [12] I.O. Salyer and A. K. Srcar, Phase change maerals for heang and coolng of resdenal buldngs, Proceedngs of he 28 h nersocey energy converson engneerng conference, Aoû 1990, Reno, Nevada. [13] D. Banu, D. Feldman, F. Haghgha, J. Pars and D. Hawes, Energy sorng wallboard: flammably ess, Journal of Maerals n cvl Engneerng, May [14] D. Feldman, D. Banu, D.W. Hawes, Developmen and applcaon of organc phase change mxure n hermal sorage gypsum wallboard, Solar Energy Maerals and Solar Cells, Vol. 36, pp. 147,

224 [15] C. Seu and H.E. Feusel, Phase change wallboard as an alernave o compressor coolng n Calforna resdences, n Proceedngs of 96 ACEE summer sudy for energy effcen buldngs, Slomar, Calforna [16] D.A. Neeper, Thermal dynamc of wallboard wh laen hea sorage, Solar Energy. Vol. 68, pp , [17] D. Feldman, M.A. Khan and D. Banu, Energy sorage compose wh an organc PCM, Solar Energy Maerals, Vol. 18, pp ,1989. [18] RUBITHERM GmbH - Paraffn n hermal energy sorage applcaons, hp:// [19] T. Kondo, T. Lbamoo, T. Yuuj, research on he hermal sorage of PCM wallboard, Deparmen of Archecure, Faculy of Engneerng, KANAGAWA Unversy, Japan. [20] D.W. Hawes, D. Feldman and D. Banu, Energy conservaon hrough laen hea hermal sorage n buldng maerals, Proc. 5 h Jacques Carer Conf., Monereal, [21] EREC Bref, Phase change maerals for solar Hea Sorage, hp:// [22] Desgnng a phase change maeral hea Exchanger for Elecronc Enclosures hp:// [23] D.H. Hawes and D. Feldman, Absorpon of phase change maerals n concree, Solar Energy Maerals and Solar Cells. Vol. 27, pp , [24] V. Candas, Confor Thermque, Technques de l ngéneur, raé Géne Energéque, n. BE [25] D.W. Hawes, D. Banu and D. Feldman, The sably of phase change maerals n concree, Solar Energy Maerals and Solar Cells, Vol 27, pp , [26] MERCK, Thermal managemen wh PCM-echnology, hp:// [27] A. Bonemps, Conducon de la chaleur, Cours Maser Energéque Physque (non publé). [28] K.A.R. Ismal, J.R. Henrquez, Thermally effecve wndows wh movng phase change maeral curans, Appled Thermal Engneerng, Vol. 21, pp , [29] PCM Thermal Soluons, hp:// [30] A. Kürklü, Energy sorage applcaons n greenhouses by means of phase change maerals (PCMs). A revew, Renewable Energy, Vol. 13, pp , [31] S. Scala, D. Banu, D. Hawes, J. Pars, F. Haghghaa, D. Feldman, Full scale hermal esng of laen hea sorage n wallboard, Solar Energy Maerals and Solar Cells, Vol. 44, pp ,

225 [32] L.L. Vaslev, V.S. Burak, A.G. Kulakov, D.A. Mshkns, P.V. Bohan, Laen hea sorage modules for preheang nernal combuson engnes: applcaon o a bus perol engne, Appled Thermal Engneerng, Vol, 20, pp , [33] J.C. Penell, Produs paraffneux dans le domane du sorage de l'énerge hermque, communcaon à Sockage d Energe par Chaleur Laene, La Baule, jun, [34] X. Py, R. Olves, S. Maurn, Paraffn/porous-graphe-marx compose as a hgh and consan power hermal sorage maeral, Inernaonal Journal of Hea and Mass Transfer. Vol. 44, pp , [35] D.V. Hale, M.J. Hoover and M.J. O'Nel, Phase change maeral Handbook-NASA repor NASA-CR 61363, 197. [36] L. Berkeley, Naonal Laboraory, Laen hermal sorage (PCM), hp://wwwepb.lbl.gov/. [37] Foam maerals, hp:// [38] S.A. Omer, S.B. Rffa, Xaol Ma, Expermenal nvesgaon of a hermoelecrc refrgeraon sysem employng a phase change maeral negraed wh hermal dode (hermosyphons), Appled Thermal Engneerng, Vol.21, pp , [39] S.L. Chen, C.L. Chen, C.C. Tn, T.S. Lee, M.C. Ke, An expermenal nvesgaon of cold sorage n an encapsulaed hermal sorage ank, Expermenal Thermal and Flud scence, Vol. 23, pp , [40] P.C. Augood, M. Newborough, D.J. Hghgae, Thermal behavour of phase-change slurres ncorporang hydraed hydrophlc polymerc parcles, Expermenal Thermal and Flud Scence, Vol. 25, pp , [41] CSTB magazne N 132, Novembre-Décembre [42] D. Feldman, D. Banu, D. Hawes and E. Ghambar, Obanng an energy sorng buldng maeral by drec ncorporaon of an organc phase change maeral n gypsum wallboard, Solar Energy Maerals and Solar Cells, Vol. 22, pp , [43] M. Vénua, Cmens e béons, PUF, Pars, [44] P. Lamberg, J. Joksalo, K. Srén, The effecs on ndoor comfor when usng phase change maerals wh buldng concree producs, Helsnk Unversy of Technology, Fnland (Rappor nerne). [45] M.M. Shapro, D. Feldman, D. Hawes and D. Banu, PCM Wallboard Tempers Passve- Solar, Temperaure Swngs, Sun world, Vol 12, n 2, [46] E. Jahns, Mcroencapsulaed phase change maeral, Basf AG, E-mal: [email protected]. 204

226 [47] A.K. Ahens, C. Lu, D. Banu, D. Feldman, Invesgaon of he hermal performance of a passve solar es-room wh wall laen hea sorage, buldng and envronmen, Vol. 32. n. 5, pp , [48] J.K. Kssock, J.M. Hanng, T.I. Whney, M.L. Drake, Early resuls from esng phase change wallboard, IEA annex 10, phase change maerals and chemcal reacons for hermal energy sorage frs workshop, Aprl 1998, [49] A. Brcard, J. Chabanne, A. Manfca, F. Vacher, Sockage e modélsaon enre 100 e 235 C., Revue Générale de Thermque, Vol. 254, pp , [50] B. Zalba, J.M. Marn, L.F. Cabeza, H. Melhng, Revew on hermal energy sorage wh phase change maerals, hea ransfer analyss and applcaons. Appled Thermal Engneerng, Vol. 23, pp , [51] A.M. Khudhar e M.M. Fard, A revew on energy conservaon n buldng. Applcaons wh hermal sorage by laen hea usng phase change maerals, Energy converson and managemen, Vol. 45, pp , [52] M.N. Hawlader, M.S. Uddn e H.J. Zhu Encapsulaed phase change maerals for hermal energy sorage: expermens and smulaon. In. J. Energy Res.,Vol. 26, pp , [53] M.N. Hawlader., M.S. Uddn e H.J. Zhu Mcroencapsulaed phase change maerals. In Proceedngs of 9h APCChE Congress and CHEMECA 2002, Chrschurch, New Zealand, [54 ] Fraunhofer ISE, [55] G. Poos, On he applcaon of negral-mehods o he soluon of problems nvolvng he soldfcaon of lquds nally a fuson emperaure, In. J. Hea Mass Transfer, Vol. 5, pp , [56] OUTLAST, hp:// [57] TEAP energy, hp:// [58] Norme françase, NF B , AFNOR, Performance hermque des maéraux e produs pour le bâmen, déermnaon de la réssance hermque par la méhode de la plaque chaude gardée e la méhode fluxmérque, Norme françase. Norme européenne, Julle 2001, [59] ISO, , Maéraux réfracares, Déermnaon de la conducvé hermque, Pare 2 : méhode du fl chaud parallèle, [60] J.P. Cull, Thermal conducvy probes for rapd measuremens n rock, Journal of physcs. E: Scenfc Insrumens, NF B , AFNOR,

227 [61] E.L. Alse, K. Roy, Forced convecon hea ransfer o phase change maeral slurres n crcular ducs. Journal of hermophyscs and hea ransfer, Vol. 14, pp , Janver-Mars [62] hp://perso.wanadoo.fr/rex-web/3fluxmere.doc [63] Heang: muldmensonal, fne-dfference hea conducon analyss code sysem, NEA, [64] M. Vandn, The HVAC sysem choce wh cool sorage, Energy engneerng, Vol. 87, n 6, pp [65] Norme françase, NF B , AFNOR, Performance hermque des maéraux e produs pour le bâmen, déermnaon de la réssance hermque par la méhode de la plaque chaude gardée e la méhode fluxmérque, norme françase, norme européenne, Julle 2001, [66] Norme françase, NF EN ISO 10456, AFNOR Maéraux e produs du bâmen, procédures pour la déermnaon des valeurs hermques déclarées e ules. Ma [67] A.W. Pra, n Thermal conducvy, R.P. Tye Ed., Academc press, London, [68] O. Merker, V. Hepp, A. Beck, J. Frcke: A new solar shadng sysem wh Phase Change Maeral (PCM), World Renewable Energy Congress WREC VII Elsever [69] CoolDeck, [70] J. Joksalo, P. Lamberg, K. Srén, Helsnk Unversy of Technology, HVAC- Laboraory, Fnland. e-mal [email protected] [71] TRNSYS, A Transen Sysem Smulaon Program, Unversy of Wsconsn. [72] J. Joksalo, P. Lamberg, K. Srén. Thermal smulaon of PCM srucures wh TRNSYS. Helsnk Unversy of Technology, HVAC-Laboraory, Rappor nerne. [73] J. Joksalo, P. Lamberg, K. Srén, Espoo Suably of buldng consrucon maerals n shor-erm energy sorage. Par 2. Thermal smulaon of phase change maerals n concree producs. Helsnk Unversy of Technology. HVAC-laboraory. Repor B p. (In fnnsh) [74] P. Lamberg, J. Joksalo, K. Srén, Suably of buldng consrucon maerals n shor erm energy sorage-offce room smulaons, Helsnk Unversy of Technology. HVAC- Laboraory. Rappor nerne. [75] H. Mehlng, S. Hebler, L.F. Cabeza, Advanced hermal energy sorage hrough phase change maerals and chemcal reacon-feasbly sudes and demonsraon projecs, IEA, ECES IA ANNEX 17, 3 rd workshop, Tokyo, Ocober

228 [76] P. Achard, P. Ilbzan, Maéraux à changemen de phase enre 18 e 25 C permean par ncorporaon à des maéraux du bâmen de réalser des paros à fore nere auour de 20 C, Rappor Lafarge Coppée/ADEME, Ecole des Mnes de Pars, Mars (non publé). [77] P. Achard, Eude e caracérsaon de paros d enveloppe de bâmen négran un maérau à changemen de phase e consuan une nerface modulable permean la capaon de l énerge solare e la geson des ambances néreures, Thèse, Ecole Naonale Supéreure des Mnes de Pars, [78] W. Woodsde, J. Messmer, Thermal conducvy of porous meda, J. Appl. Phys., Vol. 32, pp ,

229 ANNEXES 1

230 ANNEXE 1 Le changemen de phase solde/lqude dans les mélanges bnares e dans les soluons bnares 2

231 LES DIAGRAMMES DE CHANGEMENT D'ETAT LIQUIDE-SOLIDE D'UN MELANGE DE DEUX CORPS PURS. 1 - Cas de deux consuans oalemen mscbles à l'éa solde. Soluons soldes. Ce cas sera cé pour mémore. Les deux phases son homogènes e les deux corps A e B son oalemen solubles l'un dans l'aure à l'éa lqude e à l'éa solde. Le problème es ou à fa analogue à celu de l'équlbre lqude-vapeur d'un mélange de deux corps. A presson donnée, on race un dagramme dans lequel la naure physque du mélange es donné en foncon de sa composon e de sa empéraure. a - Courbes ne présenan pas d'exrémums Dans le cas où les subsances on des empéraures de fuson peu élognées e présenen des analoges crsallnes (allages Ag-Cu, Ag-Au, ), on oben le dagramme d'éa de la fgure A-1 Lqude T A Tempéraure Lqudus S P Soldus 3 2 L Solde + Lqude 1 T f T 3 T 2 T 1 T Solde T B Composon 0 composan B y B2 y B1 1 x B3 x B2 Composon composan y A A2 1 x A3 x A2 0 x A y A1 Fgure A-1: Dagramme d'équlbre (sans mnmum) de deux corps parfaemen mscbles. On dsngue 3 régons délmées par les deux courbes appelées lqudus e soldus. Dans la zone suée sous le soldus, le mélange es enèremen solde, enre le lqudus e le soldus les phases lqudes e soldes coexsen e au dessus du lqudus le mélange es sous forme lqude. Lors d'un réchauffemen de la empéraure T à la empéraure T f un mélange à l'éa solde de composon x A du corps A (respecvemen x B =1-x A pour le corps B), commence à 3

232 fondre au pon 1 e la premère goue de lqude a la composon (ou re) y A1 (corps A) e y B1 =1-y A1 (corps B). A la empéraure T 2, le lqude conen le corps A avec une composon y A2 e le solde conen le corps A avec la composon x A2. Le rappor de la masse de solde m s sur la masse de lqude m l es donné par la lo de des segmens nverses (par les méallurgses) ou des momens chmques (par les chmses): m m s = l PL PS A la empéraure T 3 le mélange es enèremen lqude e avan de se lquéfer les derners fragmens soldes conennen le corps A avec la composon x A3. On remarque que lorsque les deux phases coexsen, la phase lqude conen les corps A e B de même que la phase solde conen auss les corps A e B pusqu'ls son mscbles. La courbe de la empéraure en foncon du emps es donc la courbe (1) de la fgure A-2: Tempéraure T f T A T 3 T 1 Courbe (2) Courbe (1) T Temps Fgure A-2: Evoluon de la empéraure en foncon du emps lors de l'échauffemen d'un mélange de deux corps oalemen mscbles avec changemen d'éa. On remarque que le changemen d'éa ne s'effecue pas à empéraure consane. S l'on chauffa le corps pur A de T à T f, on obendra une courbe smlare à la courbe (2). b - Courbes présenan un mnmum Dans le cas de subsances apparenan au même sysème crsalln mas don les malles crsallnes son sensblemen dfférenes (Au-Cu, Au-N, ) le soldus e le lqudus on un mnmum commun pour lequel les deux phases ayan la même composon coexsen à la même empéraure T I. Le pon es appelé un pon ndfféren. 4

233 Par échauffemen, un solde de composon x AI fond à la empéraure consane T I comme le fera un corps pur. On rouve là une analoge avec un mélange azéorope de deux fludes. Lqude (L) T A Tempéraure Solde + Lqude I L Lqudus S + L T B T I Solde (S) Composon composan B 0 x B x B2 y B1 1 1 Composon composan A 1 x AI 0 Fgure A-3: Dagramme d'équlbre (avec mnmum) de deux corps parfaemen mscbles. 2 - Corps non mscbles à l'éa solde e oalemen mscbles à l'éa lqude. a - Sans formaon d'un composé défn Dans ce cas, lors du refrodssemen d'un lqude conenan deux corps A e B, au dessous d'une cerane empéraure, l y a formaon d'une phase solde dans laquelle l n'y a qu'un seul des deux corps. Le dagramme d'équlbre le plus smple es représené sur la fgure A-4. Eudons le refrodssemen, à parr de la empéraure T, d'un mélange lqude dans lequel le corps A possède le re y A = 0,75 (e le corps B, y B = 0,25 respecvemen). A parr de la empéraure T 0 (pon M 0 ), on observe un dépô de crsaux de A (formaon d'une phase solde avec A seul). A cee empéraure la soluon es de saurée en A. S l'on poursu le refrodssemen, le re de A dans le lqude dmnue e par exemple pour la empéraure T 1, le re de A dans le lqude es 0,62 ( 0,38 pour le corps B) ands que le solde conen oujours unquemen le corps A. Le pon représenaf de la phase lqude es donc sur le lqudus. S la empéraure dmnue encore, on observe qu'en T E, l y a formaon d'une deuxème phase solde conenan des crsaux dsncs de A e de B. Dans le cas du mélange présené fgure A-4 cee nouvelle phase conen 55% de crsaux du corps A e 45 % du corps B. Cee phase es appelée euecque e le pon E, pon d'euexe. En ce pon là, le lqude e le solde on les mêmes proporons de A e de B. Pour chaque mélange, le pon E es déermné e nvarable. 5

234 A Lqude T B T 0 T 1 A + Lqude M 0 Lqude + B T E A' E B' T f A + Euecque Euecque + B Composon 0 consuan B 1 1 0,75 0,62 0,55 Euecque Composon consuan A 0 Fgure A-4: Dagramme d'équlbre d'un mélange bnare don les consuans ne son pas mscbles à l'éa solde. Tempéraure T Lqude T 0 T 1 T f M 0 Dépô euecque Solde Temps Fgure A-5: Evoluon de la empéraure lors du refrodssemen d'un mélange bnare don les consuans ne son pas mscbles à l'éa solde. 6

235 Le dagramme comprend 5 régons: - Au dessus des pons ABE : phase lqude. - A l'néreur de AEA': lqude don le re du corps A es comprs enre 0,55 e 1 e solde consué de A seul. - A l'néreur de BEB': lqude don le re du corps A es comprs enre e 0,55 e solde consué de B seul. - Au dessous de A'E: solde consué de crsaux du corps A e d'euecque. - Au dessous de EB': solde consué de crsaux du corps B e d'euecque. Un el dagramme es obenu par exemple avec une soluon de nrae de poassum (mélange KNO 3, H 2 O). b - Avec formaon d'un composé défn Lors du refrodssemen de deux corps purs A e B, ces deux corps peuven êre suscepbles de se combner pour former un composé défn C avec un re donné x I. C'es le cas de cerans mélanges bnares méallques, par exemple le Magnésum e le Cuvre forman du Mg 2 Cu ou de soluons aqueuses forman des hydraes de composon ben défne comme par exemple les soluons aqueuses d'acde nrque pouvan former les deux hydraes HNO 3, 3 H 2 O e HNO 3, H 2 O ou celles de borae de lhum forman un hydrae sable BO 2 L, 8 H 2 O. A Lqude A' T 0 Lqude + Solde A I Lqude + C solde B E 1 T f Solde (A + C) E 2 B' 0 Composon consuan B Solde (B + C) 1 1 x I Composé défn C Composon consuan A 0 Fgure A-6: Dagramme d'équlbre d'un mélange bnare forman un composé défn. 7

236 De els hydraes défns e sables pourron êre choss comme maérau à changemen de phase. En effe, lors de la soldfcaon d'un composé défn avec la composon x I de A, la empéraure d'équlbre rese sensblemen consane pour de pees varaons de re (angene horzonale). Cee propréé explque le nom de pon ndfféren donné à I (Fgure A-6) De plus, on peu remarquer que le dagramme de la fgure A-6 peu êre consdéré comme la somme de 2 dagrammes ndépendan (Fgure A-7). La soldfcaon (ou la fuson d'un composé défn C s'effecuera comme celle d'un corps pur, à empéraure consane. A Lqude A Lqude I I B = + B A E 1 A' E 1 E 2 B Solde (A + C) E 2 B 0 1 x I Composé défn C Composon consuan A (a) C C Solde (B + C) (b) 1 0 Fgure A-7: Décomposon du dagramme d'équlbre d'un mélange bnare forman un composé défn en deux dagrammes dsncs. On d égalemen que ce pon de fuson es un pon de fuson congruen. Pour éuder la fuson ou la soldfcaon d'un composé (A,B), s la composon de A es enre 0 e C, on ulsera la fgure A-7 (b), s elle es comprse enre C e 1, on ulsera la fgure A-7 (a). c - Avec formaon d'un composé défn e pon de ranson. Ce cas sera éudé sur l'exemple d'une soluon aqueuse de Chlorure de Sodum don le dagramme d'équlbre es présené (sous une forme qualave) fgure A-8. Le Chlorure de sodum anhydre (NaCl) donne avec l'eau un hydrae NaCl, 2H 2 O qu n'es sable qu'au dessous de -1,6 C. La composon de ce hydrae correspond à un re x I = 0,62. On remarque que lors d'un échauffemen de la phase solde du composé défn, la dssocaon de cee phase se produ à une empéraure nféreure à sa empéraure de fuson. On d que l'on a un pon de fuson non-congruen. Tou se passe comme s on ava un décalage du lqudus comme ndqué sur la fgure A-9. 8

237 Lqude 0 C - 1,6 T Lqude + Na Cl H 2 O + Lqude - 22 C E H 2 O + Euecque Euecque + CD CD + Na Cl H 2 O Euecque Composé défn ( CD) Na Cl, 2 H 2 O Na Cl Fgure A-8 : Dagramme d'équlbre d'un mélange bnare forman un composé défn à pon de fuson non-congruen. Lqude Lqude Lqude + Na Cl Lqude +B H 2 O + Lqude A + Lqude Lqude + CD solde E E H 2 O + Euecque Euecque + CD CD + Na Cl A + Euecque Euecque + CD CD + B H 2 O Euecque Composé défn ( CD) Na Cl, 2 H 2 O Na Cl Fgure A-9: Comparason du dagramme d'équlbre d'un mélange bnare à composé défn à fuson non congruene avec un dagramme déal où la fuson sera congruene. A Euecque Composé défn ( CD) Na Cl, 2 H 2 O B 9

238 ANNEXE 2 Socéés fabrquan ou dsrbuan des MCP e ulsan des MCP pour le sockage d énerge 10

239 N Enreprse ou Organsme Adresse(s) Tél Fax E-mal Se Web Produ(s) PCM Naure e /ou composon du produ Condonnemen du produ Tempéraure Changemen d'éa ( C) Chaleur laene (kj/kg) Applcaons 1 Schümann Sasol (vor Rubherm) 2 TEAP Energy Se Web : 1b, 10 Achevemen Way Tél: TH Wangara WA 6065 Fax: TH-21 Wesern Ausrala E-mal: [email protected] TH-16 Posal address PO Box 1768 Wangara WA 6947 TH-10 Wesern Ausrala Se Web : TH-4 Dsrbueur en Amérque du nord PCM Thermal soluons 1163, E. Ogden Avenue Sue Napervlle, IL Dsrbueur en Europe (planchers chauffans unquemen): LUWA-Susanable energy LUWA BV Tolweg 10, 3741 LK Baarn, Pays-Bas 3 PCM Thermal soluons (vor TEAP Energy) 4 LUWA BV (vor TEAP Energy) 5 CLIMATOR Clmaor AB Skolgaan 11 SE Skovde Sweden Tel: TH 0 Fax: E-mal: [email protected] SeWeb: pcm-soluons.com Tél: TH 58 Fax: Emal: [email protected] TH 29 Sel hydraé Capsules conques hermoformées en PEHD/PVC Blles TH 89 Se Web : Clmsel C ,5 Wh/l Plancher chauffan (solare), PAC 11

240 6 RUBITHERM 7 Kevn Kennedy & Assocaes RUBITHERM GmbH (Man offce) Worhdamm D Hamburg Deuschland RUBITHERM GmbH (Developmen cener) Enwcklungszenrum Gewerbeparkrng 17 D Fürsenwalde Deuschland Kevn Kennedy & Assocaes, Inc Red Arrow Way Indanapols, IN USA Tel: +49(0)40 / /722 RT5 Cres paraffnques Fax: +49 (0)40 / E-mal: [email protected] RT Tel: / RT Fax: / E-mal: [email protected] RT RT Se Web : RT RT RT RT Tel: (1) (317) Fax: (1) (317) Se Web : RT Echangeurs à MCP 8 The Bergqus Company 9 Thermagon, Inc. Thermagon, Inc. 4707, Dero Avenue Cleveland, OH USA Se Web : www. bergquscompany.com Tel: (1) (888) (N ver) (1) (216) Se Web: Inerfaces hermques à MCP (HI- FLOW) Inerfaces hermques à MCP T-pcm 900, T-mae 2900 (50 C) T-pcm HP105 Polymères 43 ou 65 C Refrodssemen élecronque Refrodssemen élecronque 10 INGLAS INGLAS Gmbh & Co. KG Im Wnkel 4/1 D Fredrchshafen Tel: 07544/ Fax: 07544/ Se We: 11 OUTLAST Se Web: hp:// 12

241 12 Parker Hannfn Corporaon (vor Chomercs) 13 Chomercs 14 CRISTOPIA ENERGY SYSTEMS Chomercs Dv. of Parker Hannfn 77, Dragon Cour Wobum, MA USA Parker Hannfn PLC Chomercs Europe Parkway, Globe Park Marlow, Bucks., SL7 1YB, UK Tel : (1) (781) USA Fax : (1) (781) E-mal: [email protected] Se Web: (44) UK E- mal:[email protected] Inerfaces hermques à MCP T Parker Hannfn Hong Kong Ld T Chomercs sales deparmen Tel : (852) HK T /F Kng Yp Plaza T , Cheung Yee Sree, Kowloon, HK 78, chemn du mouln de la Tel : +33 (0) Clue, Quarer Cayrègues Fax : +33 (0) Vence, France E-mal : [email protected] Se Web : Sockage e geson de l'énerge 15 Merck Merck KGaA. Frankfurer Sr Darmsad, Germany Tel: Fax: Se Web: PCM 72 Chauffage Refrodssemen élecronque Transpor Texle 16 Basf Web: 17 CoolDeck FaberMaunsell Marlborough house Upper Marlborough road S Albans Herfordshre AL1 3UT Tel : Fax : Se Web 13

242 ANNEXE 3 Mesures de capacé hermque spécfque C p Une pare des éudes expérmenales on eu leu pendan l éé où la empéraure de dépar des mesures éa 30 C. Cec n a pas perms d examner la varaon de la chaleur spécfque C p des échanllons qu on des granulas don la empéraure de changemen de phase es nféreure à 30 C. Donc les mesures de C P pour les échanllons Plâre/ MCP25 ne donnen que le C P moyen du plâre avec le MCP à l éa lqude. La fgure 1 : présenen la varaon de la empéraure e des flux de chaleur des échanllons GR40, GR25 e plâre respecvemen, l évoluon de la empéraure a éé programmée avec une vesse d augmenaon de 0,2 degré/ mnue. Fgure 1 : Varaon des flux de chaleur donnée par le mcrocalormère correspondan aux échanllons ; a- MCP40, b- MCP25, c- Plâre. On consae que la varaon du flux de chaleur de MCP es ben dfférene de celle de l échanllon de plâre pur qu donne une courbe de flux quasmen consane en foncon de la empéraure. 14

243 ANNEXE 4 Ealonnage des nsrumens de mesure 4.1 Ealonnage des hermocouples Afn de mesurer des valeurs correces de empéraure, l es nécessare d effecuer un éalonnage préalable des hermocouples (TC) que l on va ulser. Dans nore cas, l s ag de deux TC de ype T e de deux aures de ype K, ans que les dx hermocouples de ype T négrés aux capeurs de flux. L éalonnage perme de déermner une équaon polynomale du second degré pour chaque capeur, équaon que l on renre ensue dans le logcel d acquson pour obenr des valeurs corrgées. Pour réalser ce éalonnage, on dspose de l apparellage suvan : (fgure 1) - un ban hermorégulé - une réssance de plane branchée sur un mulmère donnan la empéraure sandard = sonde éalon - la cenrale d acquson qu sera ulsée pour les fuures expérences Tconsgne eau Bloc de cuvre Cenrale d acquson Mulmère Sonde éalon Ban hermorégulé Thermocouples Fgure 1 : Schéma du dsposf d éalonnage des TC Sur la plage de varaon de empéraure déermnée à l avance, on relève les valeurs données par les dfférens capeurs ans que celle donnée par le ban hermorégulé e celle donnée par la sonde éalon. On effecue un relevé de empéraure des capeurs ous les dx degrés sur une plage allan de 10 à 50 C, en monée e en descene de empéraure. Pour des rasons de monage dffcle, on commence par éalonner d abord la sonde P100 qu ser de compensaon exerne aux TC en mesuran la empéraure dans la boîe soherme où se rouven oues les connecons (sucres) des capeurs. Ensue ven le our des quare hermocouples de ype T e K. Enfn, on procède à l éalonnage des dx TC négrés aux capeurs de flux. Les polynômes de correcon renrés dans le logcel d acquson de données, PARI, son regroupés dans le ableau 1: 15

244 Tableau.1 : Polynômes de correcon des TC Capeurs Voes de mesure Polynômes de correcon Sonde P E -05*(X bru )² + 0,9966*(X bru ) + 0,0064 TC ype T ,0003*(X bru )² + 1,0167*(X bru ) 0,3243 TC ype T ,0002*(X bru )² + 1,0113*(X bru ) 0,1322 TC ype K E -06*(X bru )² + 0,9984*(X bru ) 0,0211 TC ype K E -05*(X bru )² + 1,0016*(X bru ) 0,081 TC fluxmère E -05*(X bru )² + 1,0037*(X bru ) 0,3561 TC fluxmère E -05*(X bru )² + 1,0091*(X bru ) 0,6717 TC fluxmère ,0001*(X bru )² + 1,0077*(X bru ) 0,6885 TC fluxmère E -05*(X bru )² + 1,0035*(X bru ) 0,5539 TC fluxmère ,0001*( X bru )² + 0,9908*( X bru ) 0,3904 TC fluxmère ,0002*( X bru )² + 0,9844*( X bru ) 0,3832 TC fluxmère ,0001*( X bru )² + 0,9912*( X bru ) 0,2569 TC fluxmère ,0001*( X bru )² + 0,9909*( X bru ) 0,3525 TC fluxmère ,0002*( X bru )² + 0,9904*( X bru ) 0,4288 TC fluxmère ,0002*( X bru )² + 0,9823*( X bru ) 0,2787 (X bru = valeur brue mesurée drecemen par l uné d acquson HP) 4.2 Ealonnage des fluxmères : Le dsposf es présené sur la fgure 2 Calorfuge Fluxmères Bloc chauffan en alumnum Couran I Boîe à eau Eau à 20 C Fgure 2 : Schéma du dsposf d éalonnage des fluxmères Les valeurs de densé de flux données par les capeurs monren : - que l on a résolu le problème de surface de conac. En effe, les valeurs expérmenales resen légèremen nféreures aux valeurs de flux aendues e elles son relavemen proches pour ros capeurs. L ulsaon d une pâe conducrce hermque elle que la pâe Rhodorsl 340 de conducvé hermque λ = 4,1 [W/m.K] es préconsée pour élmner la réssance hermque de l ar au nveau du capeur. - que l on a ben une varaon lnéare du flux calculé (par la sensblé des capeurs) par rappor au flux mesuré (d après la pussance élecrque). 16

245 Annexe 5 Propréés des granulas ANNEXE 5: Courbes d évoluon des empéraures e des densés de flux sur chaque paro. Pour la pérode du 4 au 7 novembre

246 Granulomére des parcules de MCP , Pourcenage ,74 1,54 2,05 0-1mm 1-3 mm 3-4 mm >4 mm Damère parcules 18

247 Annexe 6 Caracérsques du polyéhylène glycol

248 Annexe 7 Courbes d évoluon des empéraures e des densés de flux sur chaque paro. Pour la pérode du 4 au 7 novembre Densé de flux (W/m2) Rayonnemen solare (W/m2) Densé de flux (W/m Rayonnemen solare (W/m -50 4/11/03 0:00 4/11/03 12:00 5/11/03 0:00 5/11/03 12:00 (Jour) 6/11/03 0:00 6/11/03 12:00 0 7/11/03 0: /11/03 0:00 4/11/03 12:00 5/11/03 0:00 5/11/03 12:00 (Jour) 6/11/03 0:00 6/11/03 12:00 0 7/11/03 0:00 F9. Face In F10. Face Ex SUD OUEST F20. Face In F21. Face Ex SUD Vercal OUEST Fgure 1 : Cellule sans MCP Flux face OUEST Fgure 2 : Cellule avec MCP Flux face OUEST Tempéraure ( C) Densé de flux (W/m2) Tempéraure ( C) Densé de flux (W/m2) /11/03 0:00 4/11/03 12 :0 0 5/ 11/ 0 3 0:00 5/ 11/ :0 0 6/11/03 0:00 6/11/03 12 :0 0 7/ 11/ 0 3 0:00 (Jour) T 9. Face In T 10. Face Ex F9. Face In F10. Face Ex /11/03 0:00 4/11/03 12:00 5/11/03 0:00 5/11/03 12:00 6/11/03 0:00 6/11/03 12:00 7/11/03 0:00 (Jour) T20. Face In T21. Face Ex F20. Face In F21. Face Ex -160 Fgure 3 : Cellule sans MCP Tempéraure e flux Face OUEST Fgure 4 : Cellule avec MCP Tempéraure e flux Face OUEST 20

249 Densé de flux (W/m2) /11/03 0:00 4/11/03 12:00 5/11/03 0:00 5/11/03 12:00 6/11/03 0:00 6/11/03 12:00 ( Jour) /11/03 0: rayonnemen solare (W/m2) Densé de flux (W/m2) /11/03 0:00 4/11/03 12:00 5/11/03 0:00 5/11/03 12:00 6/11/03 0:00 6/11/03 12:00 (Jour) /11/03 0: Rayonnemen solare (W/m2) F7. Face In F8. Face Ex SUD EST Fgure 5 : Cellule sans MCP Flux face EST F18. Face In F19. Face Ex SUD EST Fgure 6 : Cellule avec MCP Flux face EST Tempéraure ( C) Densé de flux (W/m2 Tempéraure ( C) Densé de flux (W/m2) /11/03 0:00 4/11/03 12:00 5/11/03 0:00 5/11/03 12:00 (Jour) 6/11/03 0:00 6/11/03 12:00 T7. Face In T8. Face Ex F7. Face In F8. Face Ex -40 7/11/03 0:00-5 4/11/03 0:00 4/11/03 12:00 5/11/03 0:00 5/11/03 12:00 6/11/03 0:00 6/11/03 12:00 7/11/03 0:00 (Jour) T18. Face In T19. Face Ex F18. Face In F19. Face Ex -160 Fgure 7 : Cellule sans MCP Tempéraure e flux Face EST Fgure 8 : Cellule avec MCP Tempéraure e flux Face EST Densé de flux (W/m2) Rayonnemen solare (W/m2 Densé de flux (W/m2) Rayonnemen solare (W/m2) -20 4/11/03 0:00 4/11/03 12:00 5/11/03 0:00 5/11/03 12:00 ( Jour) 6/11/03 0:00 6/11/03 12:00 F5. Face In F6. Face Ex Sud Horzonal SUD Vercal 0 7/11/03 0: /11/03 0:00 4/11/03 12:00 5/11/03 0:00 5/11/03 12:00 6/11/03 0:00 6/11/03 12:00 7/11/03 0:00 (Jour) F16. Face In F17. Face Ex Sud Horzonal SUD Vercal 0 Fgure 9 : Cellule sans MCP Flux - PLANCHER Fgure 10 : Cellule avec MCP Flux - PLANCHER 21

250 empéraure ( C) Densé de flux (W/m2) Tempéraure ( C Densé de flux (W/m / 11/ 0 3 0:00 4/11/03 12 :0 0 5/ 11/ 0 3 0:00 5/ 11/ :0 0 T 5. Face In F6 nversé (Jour) 6/11/03 0:00 6/11/03 12 :0 0 F5. Face In -40 7/ 11/ 0 3 0:00 0 4/11/03 0:00 4/11/03 12:00 5/11/03 0:00 5/11/03 12:00 (Jour) 6/11/03 0:00 6/11/03 12:00 T16. Face In T17. Face Ex F16. Face In F17. Face Ex 7/11/03 0: Fgure 11 : Cellule sans MCP Tempéraure e flux - PLANCHER Fgure 12 : Cellule avec MCP Tempéraure e flux - PLANCHER Densé de flux (W/m2) rayonnemen solare (W/m2) Densé de flux (W/m2) rayonnemen solare (W/m2) -20 4/11/03 0:00 4/11/03 12:00 5/11/03 0:00 5/11/03 12:00 ( Jour) 6/11/03 0:00 6/11/03 12:00 F3. Face In F4. Face Ex SUD Vercal NORD 0 7/11/03 0: /11/03 0:00 4/11/03 12:00 5/11/03 0:00 5/11/03 12:00 ( Jour) 6/11/03 0:00 6/11/03 12:00 0 7/11/03 0:00 F14. Face In F15. Face Ex SUD Vercal NORD Fgure 13 : Cellule sans MCP Flux face NORD Fgure 14 : Cellule avec MCP Flux face NORD Tempéraure ( C) densé de flux (W/m2) Tempéraure ( C Densé de flux (W/m /11/03 0:00 4/11/03 12:00 5/11/03 0:00 5/11/03 12:00 (Jour) 6/11/03 0:00 6/11/03 12:00 T3. Face In T4. Face Ex F3. Face In F4. Face Ex /11/03 0:00-5 4/11/03 0:00 4/11/03 12:00 5/11/03 0:00 5/11/03 12:00 (Jour) 6/11/03 0:00 6/11/03 12: /11/03 0:00 T14. Face In T15. Face Ex F14. Face In F15. Face Ex Fgure 15 : Cellule sans MCP Tempéraure e flux - PLANCHER Fgure 16 : Cellule avec MCP Tempéraure e flux - PLANCHER 22

251 Densé de flux (W/m2) rayonnemen solare (W/m2) Densé de flux (W/m2) rayonnemen solare (W/m2) -20 4/11/03 0:00 4/11/03 12:00 5/11/03 0:00 5/11/03 12:00 (Jour) 6/11/03 0:00 6/11/03 12:00 0 7/11/03 0:00 F1. Face In F2. Face Ex Sud Horzonal -80 4/11/03 0:00 4/11/03 12:00 5/11/03 0:00 5/11/03 12:00 (Jour) 6/11/03 0:00 6/11/03 12:00 F12. Face In F13. Face Ex Sud Horzonal 0 7/11/03 0:00 Fgure 17 : Cellule sans MCP Flux - PLAFOND Fgure 18 : Cellule avec MCP Flux - PLAFOND Tempéraure ( C) Densé de flux (W/m2) Tempéraure ( C) Densé de flux (W/m2) /11/03 0:00 4/11/03 12:00 5/11/03 0:00 5/11/03 12:00 (Jour) 6/11/03 0:00 6/11/03 12:00 T1. Face In T2. Face Ex F1. Face In F2. Face Ex -40 7/11/03 0:00-5 4/11/03 0:00 4/11/03 12:00 5/11/03 0:00 5/11/03 12:00 (Jour) 6/11/03 0:00 6/11/03 12:00 7/11/03 0:00 T12. Face In T13. Face Ex F12. Face In F13. Face Ex -140 Fgure 19 : Cellule sans MCP Tempéraure e flux - PLAFOND Fgure 20 : Cellule avec MCP Tempéraure e flux - PLAFOND 23

252 ANNEXE 8 Les dfférenes éapes de monages des cellules e les dfférens élémens: Fgure 1 : Déal du panneau PVC accuellan le MCP Fgure 2 : Remplssage d un panneau avec le MCP Fgure 3 : Monage du Conreplaqué/ Flumère Eape 4 : Monage du panneau de MCP Fgure 5 : Monage du VIP/ Fluxmère Fgure 6 : Monage du panneau Fbre Cmen 24

253 Fgure 7 : Capeur de flux hermque Boîer Eanche Cenrale de mesure auonome Fgure 8 : Cenrale de mesure 25

254 ANNEXE 9 Comparason des empéraures mesurées e smulées pour le mos de sepembre T ( C) cellule-es sans MCP (sepembre) /9/03 11/9/03 16/9/03 21/9/03 26/9/03 Tamben (smul) Tcellule (mesure) Tcellule (smul) T amben (mesure) (jour) T ( C) cellule -es avec MCP (sepembre) ( jour) 0 1/9/03 6/9/03 11/9/03 16/9/03 21/9/03 26/9/03 Tamb smul amcp Tcellule-a-mcp (smul) Tcellule (mesure) T23 mesur-1 26

255 Annexe 10 Comparason des empéraures mesurées e smulées avec la présence d un pon hermque cellule sans MCP, pon hermque T- smulaon T- mesure T( C) Te (h) 27