EXPERIMENTATIONS AVEC UN CHANGEMENT DE PHASE

REVUE DE LA LITTÉRATURE

L’utilisation des MCPs pour le stockage de l’énergie thermique a une longue histoire. Dans les années 1940, Telkes (1949) étudie le sulfate de sodium décahydraté afin de stocker l’énergie solaire pour chauffer les locaux durant la nuit ou les jours nuageux. Dans les années 1970, Telkes (1974) propose l’utilisation des MCPs au sein de la structure du bâtiment pour stocker de l’énergie. Depuis, les techniques d’intégration à l’enveloppe, le type de matériau et les configurations d’emplacement n’ont cessé d’être étudiés et ont beaucoup évolué. Plusieurs revues bibliographiques sur les MCPs ont été publiées ces dix dernières années. Zalba et al. (2003) relatent l’histoire du stockage thermique par les MCPs à travers les matériaux, le transfert de chaleur et les applications.

Une liste des propriétés de matériaux commerciaux et de matériaux testés par des chercheurs y est exposée, ainsi que les méthodes de caractérisation des propriétés thermophysiques. Kudhair et Farid (2004) présentent une revue détaillée des systèmes de stockage de l’énergie thermique utilisant les MCPs pour des applications du bâtiment. Ce travail présente les différentes méthodes d’incorporation des MCPs au sein de l’enveloppe. Les auteurs concluent que l’inclusion des MCPs dans l’enveloppe du bâtiment permet de minimiser les fluctuations de température en utilisant l’énergie solaire. Néanmoins, des problèmes persistent quant à la sélection du matériau. Même si de nombreux chercheurs ont étudié expérimentalement des enveloppes contenant des MCPs, peu de règles générales concernant le comportement dynamique ont été mises en avant. Malgré l’éventail de matériaux étudiés, les auteurs concluent que le choix d’un MCP selon l’environnement géographique et l’utilisation voulue est difficile.

Connaitre et prédire les performances d’un système intégrant un matériau complexe est primordial. Zhu, Ma et Wang (2009) relatent les travaux sur la caractérisation dynamique du comportement des MCPs, nécessaire pour optimiser leur utilisation. Un point sur les performances des bâtiments intégrant des MCPs est présenté. Les auteurs concluent que l’utilisation des MCPs a des conséquences positives sur les performances énergétiques d’un bâtiment mais que les études demeurent insuffisantes pour prédire correctement les gains possibles. Aussi, le transfert de chaleur est parfois insuffisant et la sélection d’un MCP doit être faite selon le climat dans lequel se trouve le bâtiment. Les chercheurs concluent que la route est encore longue pour permettre une implantation optimale des MCPs dans les bâtiments. Les technologies doivent avoir des performances satisfaisantes tout en étant facilement intégrables dans les bâtiments. Ainsi, un travail de modélisation doit être mené pour prédire avec précision les performances envisageables. La revue générale de Dutil et al. (2011) propose un excellent recensement des travaux menés concernant la modélisation mathématique et les simulations sur le comportement des MCPs. Les auteurs insistent sur la nécessité de coupler les modèles à des expérimentations afin de s’assurer de leur validité. Tel qu’indiqué dans l’article de Joulin et al. (2009), les modèles numériques sont souvent capables de prédire le comportement de matériaux à changement de phase courant, comme l’eau, mais des difficultés persistent quant à la simulation adéquate du comportement d’un MCP manufacturé.

Enfin, dans une publication récente, Cabeza et Castell (2011) donnent une présentation complète des MCPs et de leurs propriétés. Un intérêt particulier est porté sur les principaux problèmes liés aux MCPs, à savoir la stabilité à long terme, les modes d’intégration, la résistance au feu et l’amélioration du transfert de chaleur. Les revues bibliographiques précédentes rappellent les principaux champs d’investigation de la recherche et l’état actuel des connaissances. La littérature suivante propose d’approfondir les sujets et de mettre en avant les travaux pertinents pour ce projet de recherche. Le premier point concerne le stockage de l’énergie thermique qui aborde les modes de stockage et la théorie du changement de phase. Le second point présente les travaux sur l’intégration des MCPs dans l’enveloppe du bâtiment. Le troisième point traite des techniques de mesure pour caractériser les MCPs.

Matériaux inorganiques et organiques

Dès les premières études sur les matériaux, les travaux de Naumann et Emons (1989) et de Peippo et al. (1991) ont montré que les MCPs inorganiques, composés principalement des hydrates de sel, possèdent l’avantage d’avoir une conductivité thermique élevée, d’environ 0,5 W⋅m-1⋅K-1 et une forte densité de stockage d’énergie d’environ 240 kJ/kg. Ils sont aussi facilement disponibles et à bas prix. Du fait de ces avantages, Baetens, Jelle et Gustaven (2010) précisent que jusqu’à récemment, la recherche concernait principalement les composés inorganiques. Cependant; ils ne peuvent pas être insérés directement dans les matériaux de construction du fait de leur corrosivité. La question principale réside donc dans le contenant approprié au matériau pour limiter les dégradations à long terme dues au nombre de cycles importants. Parmi les inconvénients majeurs des matériaux inorganiques, Kenisarin et Mahkamov (2007) constatent que les matériaux inorganiques présentent l’inconvénient d’être sujet à la surfusion. Pasupathy, Velraj et Seeniraj (2008) montrent qu’un des effets néfastes de la surfusion est qu’elle entraine des complications au niveau du mélange des composants chimiques du matériau. Les phases ne sont pas homogènes, ce qui crée un phénomène de ségrégation.

La solidification ne s’effectue pas proprement car les composants chimiques de certains MCPs se séparent et se stratifient à l’état liquide. La figure 1.3 tirée d’une publication de Joulin et al. (2011) met en évidence ce phénomène de ségrégation. Selon Melhing et Cabeza (2008), le phénomène de ségrégation peut être limité en ajoutant des agents de gélification ou épaississants. Les agents de gélification sont des matériaux réticulés, par exemple des polymères, qui créent un réseau tridimensionnel liant les composés chimiques du matériau. Les agents épaississants augmentent la viscosité et permettent une meilleure liaison des molécules entre elles. Le phénomène de surfusion peut, quant à lui, être limité en insérant des agents de nucléation. Ces agents modifient le comportement autour du point de fusion tout en respectant les propriétés du MCP à la température de fusion pour favoriser l’absorption ou la restitution de chaleur. Pasupathy, Velraj et Seeniraj (2008) indiquent que même si la recherche a permis des progrès, des obstacles persistent pour permettre le développement de systèmes de stockage fiables et pratiques utilisant les hydrates de sel ou autres composés inorganiques.

Conditionnement des matériaux

Les panneaux muraux sont largement utilisés dans le bâtiment et peu coûteux, ce qui leur confère une disposition adéquate pour y intégrer des MCPs. La méthode la plus simple consiste à imprégner directement le MCP dans du plâtre, béton ou autres matériaux poreux pour former une enveloppe qui contient un mélange de matériaux. Dans les années 1990, Hawes, Feldman et Banu (1993) ont effectué des travaux sur des panneaux muraux intégrant différentes combinaisons de MCPs (stéarate de butyle, dodécanol, propyl palmitate et acides gras). Les panneaux furent immergés dans un liquide de MCPs pendant plusieurs minutes pour permettre l’absorption d’un pourcentage déterminé de MCPs. La recherche a conclu que les panneaux imbibés étaient comparables à des panneaux standards en termes de durabilité, de résistance et de stabilité. Cette expérience a montré que les panneaux imbibés de MCPs sont capables de stocker jusqu’à 12 fois la quantité de chaleur d’un panneau standard. Stovall et Tomlinson (1992) et Salyer et Sircar (1990) ont concentré leurs travaux sur le gain d’énergie possible par l’utilisation de panneaux imbibés de MCPs pour l’enveloppe d’un bâtiment. Les résultats montrent qu’un mur contenant de 20 à 22 % de MCPs permet de réduire la consommation d’énergie de 30 % pour le chauffage et la climatisation des locaux. Plus tard, Nepper (2000) a examiné le comportement dynamique de panneaux muraux imprégnés d’acides gras et de paraffines.

Les températures de fusion ont été ajustées en fonction du mélange intégré au panneau. Trois paramètres importants qui influencent les quantités d’énergie absorbée ou restituée ont été décelés : la température de fusion du MCP, le domaine de température où le changement de phase apparait et la chaleur latente par unité de surface du panneau. La présente étude visera donc à considérer ces paramètres afin d’établir leurs influences sur les performances d’un matériau contenant des MCPs. Cependant, contrairement aux travaux de Hawes, Feldman et Banu (1993), d’importantes fuites ont été constatées avec l’imprégnation directe, en particulier dans les travaux de Xiao, Feng et Kong (2002). De plus, Cabeza et al. (2007) rapportent que le MCP peut entrer en interaction avec le contenant poreux et détériorer les propriétés mécaniques de l’enveloppe. Certains chercheurs se tournent donc vers l’étude des propriétés mécaniques de matériaux de construction intégrant des MCPs. Très tôt dans l’investigation des MCPs, Feldman et al. (1984) avait concentré leurs travaux sur l’étude de la résistance à la compression de ciment intégrant des MCPs. L’influence de la température sur les propriétés mécaniques a montré qu’il est préférable de renforcer les propriétés mécaniques, par exemple à l’aide de fibres de verre.

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Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTÉRATURE
1.1 Introduction
1.2 Stockage de l’énergie thermique
1.3 Les MCPs utilisés pour l’enveloppe du bâtiment
1.3.1 Classification et sélection
1.3.2 Matériaux inorganiques et organiques
1.3.3 Conditionnement des matériaux
1.4 Techniques de mesure
1.4.1 Analyse calorimétrique différentielle
1.4.2 T-history method
1.4.3 Plaques chaudes gardées
CHAPITRE 2 DISPOSITIF EXPÉRIMENTAL, MÉTHODES ET MATÉRIAUX
2.1 Description du dispositif expérimental
2.2 Méthodes de calcul
2.3 Matériaux étudiés
2.4 Procédure de caractérisation
2.5 Incertitudes sur les mesures
CHAPITRE 3 EXPERIMENTATIONS SELON LA PHASE SOLIDE OU LIQUIDE
3.1 Résultats
3.2 Discussion
CHAPITRE 4 EXPERIMENTATIONS AVEC UN CHANGEMENT DE PHASE
4.1 Résultats
4.2 Discussion
4.2.1 Évolution de la chaleur spécifique
4.2.2 Influence de la chaleur spécifique sur les calculs de chaleur latente
CHAPITRE 5 INTERPRETATIONS POUR LA CONCEPTION D’UN BANC D’ESSAI AVANCE
5.1 Critères de caractérisation
5.1.1 Intervalle de température
5.1.2 Taux d’évolution de la température
5.2 Étude sur la conception d’un banc d’essai avancé
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
ANNEXE I ARTICLES REDIGES AU COURS DE LA MAITRISE
ANNEXE II ENERGAIN®: FICHE TECHNIQUE FRANCAISE (OCTOBRE 2007)
ANNEXE III ENERGAIN®: FICHE TECHNIQUE ANGLAISE (DECEMBRE 2011)
ANNEXE IV FICHE TECHNIQUE DE LA PARAFFINE RT21
ANNEXE V RESULTATS DES TESTS SUR LA CAPACITE CALORIFIQUE
ANNEXE VI RESULTATS DES TESTS AVEC CHANGEMENT DE PHASE
BIBLIOGRAPHIE