Utilisation des Matériaux à Changement de Phase (MCP) en climatisation passive et chauffage d intersaison Contrat ADEME - PUCA N 04 04 C 0073 Notifié le 28/12/2004 D. QUENARD H. SALLEE K. JOHANNES A. HUSAUNNDEE PA Consult PAGE 1 Trois Types de Technologies Isolation : Panneaux Isolants sous Vide Apports Solaires Contrôlés Vitrages / Protections Solaires Stockage de Chaleur Réémission Matériaux à Changement de Phase Technologie Complémentaire : Ventilation Nocturne PAGE 2 1
Trois Echelles d Analyse Matériaux : Analyse Thermique : T, λ, C p, L Composants : Réponse à des sollicitations contrôlées (rampes, sinusoïdes ) Maquettes : Comportement en site extérieur PAGE 3 Partie expérimentale PAGE 4 2
Trois Echelles d Analyse Matériaux : Analyse Thermique : λ, C p, L Composants : Réponse à des sollicitations contrôlées (rampes, sinusoïdes ) Maquettes : Comportement en site extérieur PAGE 5 Choix des MCP Matériaux à Changement de Phase Enthalpie (kj/l) PEG 40 Température de Fusion ( C) Acide Gras Eutectique (Myristique-Caprique) T f = 21.5 C Paraffine T f = 25 C Sel Hydraté Eutectique (Chlorure Calcium + Potassium) T f = 27 C PAGE 6 3
Enthalpie DSC - µcalorimétrie Sensibilité à la Vitesse de mesure et à la Masse Cp J/g.K 15 10 5 3 C/min (180 C/h) 0.3 C/min (18 C/h) Pâtre + MCP T «onset» T «fusion» L=28 J/g.K L=25 J/g.K 0 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 T C Source : IEA ECES Annexe 17 PAGE 7 Enthalpie - Surfusion Exemple de courbe expérimentale MCP : - Paraffine - Acide gras -Sel Hydraté Cp J/g.K 350 300 250 200 150 100 50 0-50 chauffage 0,05 C/min 3 C/heure Surfusion -100 Endothermique -150 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 T C Sel Acide gras Paraffine Exothermique refroidissement PAGE 8 4
Trois Echelles d Analyse Matériaux : Analyse Thermique : λ, C p, L Composants : Réponse à des sollicitations contrôlées (rampes, sinusoïdes ) Maquettes : Comportement en site extérieur PAGE 9 PAROI EN BRIQUES DE VERRE Paraffine, Acide Gras, Brique Verre vide 33 31 T1 échangeur - Sollicitation Sinusoïdale 29 Amortissement T e m p é r a tu re ( C ) 27 25 23 21 T2 T2 Acide 19Paraffine Gras Déphasage 17 T2 Brique Vide 15 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Temps (h) PAGE 10 5
Trois Echelles d Analyse Matériaux : Analyse Thermique : λ, C p, L Composants : Réponse à des sollicitations contrôlées (rampes, sinusoïdes ) Maquettes : Comportement en site extérieur PAGE 11 Cellules jumelles Cloison en Briques de verre Température C Cellules jumelles Sel 27.5 C 60 Air Intérieur (MCP) amortissement 5 C 50 Briques MCP 40 30 zone de fusion 20 Air Intérieur 10 Air Extérieur amortissement 3 C 800 600 400 200 Rayonnement W/m² Chaleur Sensible : ρc p Chaleur Latente : L 0 0 01/07/2006 03/07/2006 05/07/2006 Temps Jours PAGE 12 6
Résultats de simulation PAGE 13 Comparaison Expérience/Simulation Acide Gras - Briques de verre TRNSYS avec Module MCP 1D C p fct affine par morceau Convection dans les briques et surfusion non-prises en compte Modèle en cours d amélioration PAGE 14 7
Cellules Jumelles Simulation - Briques de verre Influence de l épaisseur de la brique de verre T [ C] 50 45 40 35 30 TEXT ep=0.02 ep=0.06 ep=0.08 ep=0.10 EHZ Ehz [W/m²] 5000 4500 4000 3500 3000 Faible au-delà de 6 cm 25 20 2500 2000 15 1500 10 1000 5 500 0 0 10/6/06 00:00 10/6/06 12:00 11/6/06 00:00 11/6/06 12:00 12/6/06 00:00 12/6/06 12:00 13/6/06 00:00 PAGE 15 Simulation SIMBAD Bureau - CEN TC89 WG6 Apports importants, une occupation intermittente et une inertie légère 2,8m 5m² 3,6m 5,5m 2 occupants de 7h à 19h, taux d occupation de 80% 252 W Equipements 114 W PAGE 16 8
Caractérisation du bureau Protections solaires mobile en fonction de l intensité lumineuse, protections solaires baissées en inoccupation Système d éclairage de 12 W/m² Fenêtres ouvertes à moitié en occupation si text > 20 C Sur-ventilation nocturne de 5 vol/h de 22h à 7h Système de ventilation assurant 25m3/h par personne en occupation 80% de surface couvert de MCP faux plafond PAGE 17 Simulations Combinaisons Climat et MCP Trappes été: acide gras semaine chaude Trappes été: paraffine Nice été: acide gras Nice mi-saison: acide gras Carpentras été: acide gras Carpentras mi-saison: acide gras Mâcon été: acide gras Mâcon mi-saison: acide gras PAGE 18 9
Simulations Combinaisons Climat et MCP Trappes été: acide gras semaine chaude Trappes été: paraffine Nice été: acide gras Nice mi-saison: acide gras Carpentras été: acide gras Carpentras mi-saison: acide gras Mâcon été: acide gras Mâcon mi-saison: acide gras PAGE 19 Résultats Influence de la sur-ventilation Acide gras 5mm à Trappes en été Top [ C] mcp 5mm Text [ C] Top sans mcp sans surventilation [ C] Top sans mcp avec surventilation [ C] 30 28 26 Température en C 24 22 20 18 16 14 12 10 1 10 19 28 37 46 55 64 73 82 91 100 109 118 127 136 145 154 163 heure sur une semaine au mois d'août Les MCP et la sur-ventilation nocturne sont complémentaires pour assurer le confort pendant l après midi PAGE 20 10
Conclusions & Perspectives Intérêt des MCP pour le confort d été Cellules Simples Validation des modèles Amortissement maximum obtenu: 12 C Sur-ventilation nocturne pour améliorer la solidification des MCP. Cellules Jumelles Efficacité plus faible que pour les cellules simples (rapport surface/volume) Amortissement maximum obtenu: 5 C Comparaison difficile des différents MCP testés Modification des cellules : contrôler les apports solaires, ventilation nocturne PAGE 21 Conclusions & Perspectives Amélioration des modèles : Surfusion, Cp réel à vitesse lente, ponts thermiques, convection dans les briques Étudier l influence du climat, du volume, de la quantité de MCP, du stockage à chaleur sensible équivalente Approche expérimentale en conditions contrôlées et en site réel (bureau, logement) : IMCPBAT - RENOKIT Sélectionner le matériau adapté pour un bâtiment donné et un site donné (Zones Climatiques ) Guide de Pré-Sélection : usage, Tic, type de bâtiments, zones climatiques PAGE 22 11
Merci de votre Attention PAGE 23 12