Contribution au stockage d’énergie thermique en bâtiment

Stockage de l’énergie

Le stockage de l’énergie est l’action qui consiste à placer une énergie à un endroit donné pour faciliter son exploitation immédiate ou future. Par son importance dans notre civilisation grande consommatrice d’énergie, le stockage d’énergie est une priorité économique. Il concourt à l’indépendance énergétique, c’est-à-dire à la capacité d’un pays à satisfaire par lui-même ses besoins énergétiques. De ce fait, le stockage d’énergie fait souvent l’objet d’une attention particulière de la part des pouvoirs politiques, surtout dans les pays fortement dépendants de l’étranger.
Par extension, le terme « stockage d’énergie » est souvent utilisé pour décrire le stockage de la matière qui produira cette énergie. Dans le cadre de la maîtrise des dépenses énergétiques, les efforts fait dans le secteur de bâtiment en agissant sur l’isolation des parois extérieures, la ventilation, le chauffage, les apports solaires et la climatisation.
Fondamentalement, il existe trois principales méthodes de stockage de l’énergie thermique: le stockage par chaleur sensible e, par chaleur latente et thermochimique.

Matériaux de changement de phase MCP

Les Matériaux à Changement de Phase, appelés communément « MCP », sont des matériaux intelligents qui reposent sur l’application d’un principe physique simple ils se liquéfient en absorbant de l’énergie à partir d’une certaine température caractéristique pour chaque type de matériau (en général fixée par leur formulation) et restituent cette énergie lorsque la température de leur environnement est inférieure à celle-ci .
Ils ont pour particularité de pouvoir stocker de l’énergie sous forme de chaleur latente. Le stockage de chaleur latent de MCP peut être réalisé par le changement solide-solide, de solide-liquide, de solide-gaz et de phase de liquide gaz. Cependant, le seul changement de phase utilisé pour des MCP est le changement de solide-liquide. Les changements de phase de Liquide-gaz ne sont pas pratiques pour l’usage en tant que stockage thermique dû aux grands volumes ou pressions exigés pour stocker les matériaux dans leur phase gazeuse. Les transitions de Liquide-gaz ont une chaleur plus élevée de transformation que des transitions de solide-liquide.

Conditionnement des MCP dans les applications de stockage thermique

Le conditionnement des MCP pour les applications dans les dispositions et systèmes de stockage thermique doit obéir à certaines exigences :
Le matériau du conteneur de conditionnement doit être compatible avec le MCP et ne doit subir ni oxydation, ni ramollissement ou toutes autres dégradations.
Le conteneur de conditionnement doit assurer une parfaite étanchéité quand le MCP change de l’état solide à l’état liquide, le liquide ayant une faible viscosité le taux de fuite se trouvent fortement augmenté.
Le conteneur de pouvoir résister à la dilatation et au changement de volume du MCP en plus liquide ce changement peut casser le conteneur si celui-ci ne peut pas absorber le changement de volume.
Il existe deux techniques pour conditionner les MCP :
Macro-encapsulation : Les conteneurs peuvent être constitués de sacs, bouteilles de plastique, de capsule de différentes formes géométriques et dimensions etc.
Il existe des procèdes industriels qui utilisent le conditionnement dans des sphères de matière plastique ou nodules. Ces nodules sont manufactures dans trois diamètres (77-78 et 98 mm) pour des usages respectivement aux faibles températures de changement d’état (-3 à 15 °C), aux températures intermédiaires (-3 à 15° C) et à la température de stockage de la glace (0°C). Certains nodules spéciaux ont des températures de changement d’état de 27°C et plus.
Utilisation de micro-capsules : La micro en capsulation est un procédé physique ou chimique qui permet d’emprisonner de petites gouttes solides ou liquides dans une coquille solide de 1 à 1000 μm de diamètre.
Briquettes de polyéthylène à haute densité (PEHD) : Le polyéthylène à haute densité est un hydrocarbure alkyle de haut poids moléculaire avec une température de fusion et de solidification de 125 à 130°C. Ce dernier correspond à un stockage thermique latent de 190 à 210 kJ/kg.
Ces briquettes peuvent supporter au moins 1000 cycles thermiques sans changement des caractéristiques de stockage thermique. Des plaques, des barres, des tubes et d’autres formes géométriques du polyéthylène peuvent être obtenues suivant leur usage.
Briquettes de polyéthylène de haute densité réticulé : Des briquettes de polyéthylène de haute densité réticulé Peuvent être imprégnées avec un MCP de température de fusion plus faible. La température de fusion et le stockage thermique ne varient pas après répétition de nombreux cycles thermiques. Ces briquettes imprégnées peuvent être incorporées dans les matériaux de construction (plâtre et béton) en les ajoutant au mélange humide du processus. Cette technique a la préférence de certains industriels (National Gypsum Company) .
Substrat poreux : Un Substrat poreux comme le plâtre, le béton et la mousse, absorbant un MCP liquide hydrocarbure alkyl. Le processus d’absorption peut être effectué en 10 minutes, la durée d’absorption contrôlant la quantité de MCP absorbée. Les hydrocarbures alkyl d’une chaîne de carbone plus ou moins longue peuvent être absorbés par le plâtre et le béton. D’autres MCP comme les acides gras et les esters peuvent aussi être absorbés par les matériaux poreux.

Efficacité énergétique dans le bâtiment

L’efficacité énergétique se réfère à la réduction de la consommation d’énergie sans toutefois provoquer une diminution du niveau de confort ou de qualité de service dans les bâtiments. Le secteur du bâtiment, dont sa consommation énergétique représente plus de 40% du total de l’énergie, et il est responsable de 20% des émissions mondiales de gaz à effet de serre, se positionne comme un acteur clé pour parvenir à résoudre les inquiétants défis à faire face. Ce secteur pourrait bien être le seul qui offre des possibilités de progrès suffisamment fortes pour répondre aux engagements de réduction des émissions de gaz à effet de serre.
Ces possibilités de progrès sont actuellement mieux identifiées qu’au cours des années passées, les bâtiments peuvent utiliser plusieurs sources d’énergie, dont les énergies renouvelables. Le bâtiment peut être construit pour deux usages distincts :
usage tertiaire (tels que commerce, bureaux, enseignement, santé, etc.) ,usage résidentiel (bâtiment d’habitation, maison individuelle ou logement collectif).
Le cycle de vie du bâtiment se divise en plusieurs étapes, toutes engageant de nombreux professions et usagers, et ayant un impact direct ou indirect sur l’environnement : production des matériaux, transport des matériaux, construction du bâtiment, utilisation du bâtiment et déchets en fin de vie.
Cependant, agir efficacement pour réduire de manière sensible la consommation énergétique impose une identification des facteurs de gaspillage, afin de les maîtriser à l’avenir. De nombreuses études et retours d’expériences ont montré que la diminution des consommations énergétiques des bâtiments passe par une conception architecturale prenant en compte la compacité du bâtiment et la gestion des apports solaires passifs, une sur isolation de l’enveloppe.

Notion du Confort Thermique

Le confort est une notion étroitement lié à la sensation de bien-être et qui ne possède pas de définition absolue. C’est une notion globale : chaleur et froid, lumière, bruit, paysage, eau, verdure, prestige…. et autre, sont autant d’éléments définissant plusieurs paramètres climatiques, esthétiques, psychologiques du bien être.
Le confort est également la sensation subjective . Cette appréciation est différente selon la société et pour une même société suivant les individus.
Le confort thermique est défini comme « un état de satisfaction du corps vis à vis de l’environnement thermique ou à l’égard de l’ambiance thermique du milieu environnant. Pour qu’une personne se sente confortable, trois conditions doivent être réunies :
Le corps doit maintenir une température interne stable.
La production de sueur ne doit pas être trop abondante et la température moyenne de la peau doit être confortable.
Aucune partie du corps ne doit être trop chaude ni trop froide (inconfort local).

Mesure du confort thermique

Mesuré le confort thermique est une tâche complexe. En effet, il faut prendre en considération les différents facteurs environnementaux mais également les différences individuelles. Dans une situation donnée, une personne ressent une sensation de chaud alors que sa voisine perçoit du froid. Dans ces conditions comment mesurer un confort thermique « universel » de manière à créer des espaces susceptibles d’être thermiquement appréciés par tous les occupants ?
L’environnement thermique peut être défini suivant quatre paramètres : la température de l’air, la température de rayonnement, l’humidité de l’air et la vitesse de l’air. Ils doivent cependant être combinés avec l’activité et la vêture de l’individu pour caractériser les échanges thermiques entre l’homme et son environnement. À partir de ces paramètres, il existe de multiples modèles de caractérisation du confort.

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Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
Chapitre 1 : Synthèse bibliographique
1. INTRODUCTION
2. CONCLUSION
Chapitre 2 : Utilisation des MCPs en stockage d’énergie en bâtiment
I.1.Introduction
I.2.Stockage de l’énergie
I.2.1. Stockage par chaleur sensible
I.2.2. Stockage par chaleur latente
I.2.3. Stockage thermochimique
II. Matériaux de changement de phase MCP
II.1.Historique des MCPs
II.2.Choix d’un MCP
II.2.1 – Critères thermodynamiques
II.2.2- Critères cinétiques
II.2.3- Critères chimiques
II.2.4- Critères physiques
II.2.5- Critères de stabilité et de compatibilité avec les autres matériaux
II.2.6- Critères économiques
II.3.Classification des matériaux à changement de phase
II.4.1- MCPs organiques
i. Paraffine
ii. Composés non paraffiné
II.4.2- MCPs inorganiques
II.4.3-Les eutectiques
II.5.Quelques phénomènes ayant un impact sur l’efficacité du stockage
II.5.1-Surfusion
II.5.2-Dilatation
II.5.3-Surchauffe
II.6.Conditionnement des MCP dans les applications de stockage thermique
a) Macro-encapsulation [28]
b) Utilisation de micro-capsule
c) Briquettes de polyéthylène à haute densité (PEHD)
d) Briquettes de polyéthylène de haute densité réticulé
e) Substrat poreux
II.7.Utilisation passive des MCP en bâtiment
II.7. Intégration des MCP dans l’enveloppe du bâtiment
III. Conclusion
Chapitre 3 : Efficacité énergétique et le confort thermique
1. INTRODUCTION
2. EFFICACITÉ ÉNERGÉTIQUE DANS LE BÂTIMENT
2.1 Maison passive
2.2 Bâtiment basse énergie
2.3 Bâtiment très basse énergie
2.4 Bâtiment à énergie zéro
2.5 Bâtiment à énergie positive
3. Solutions d’efficacité énergétique passives
3.1. Compacité du bâtiment
3.2. Orientation
3.3. Solaire passif
4. Notion du Confort Thermique
4.1 Aspects du confort thermique
o L’aspect physique
o L’aspect physiologique
o L’aspect psychologique
o Aspect sensoriel
4.1.1. Influence de la température sur le confort
4.1.2. Influence de l’humidité relative de l’air
4.1.3. La vitesse de l’air
4.1.4. Influence des écarts de température
5. Mesure du confort thermique
6. Obtention du confort thermique à l’aide de MCP
7. CONCLUSION
Chapitre 4 : Simulation Numérique
1. Introduction
2.Position du problème
2.1 Modèle physique
3.Modèle du transfert thermique
3.1 Formulation mathématique du problème 2D
Hypothèses simplifies
Equations de conservation
4.Paramètres physiques des matériaux
5.Génération du maillage par GAMBIT
6.Résultats et discussions
7. Conclusion
CONCLUSION GENERALE