Amélioration énergétique de dalles alvéolées par l`intégration d`un

Amélioration énergétique de dalles
alvéolées par l'intégration d'un MCP stable
mécaniquement
ROYON Laurent1,*, KARIM Laurie1
1
Laboratoire Matières et Systèmes Complexes, UMR7057- CNRS et Université
Paris VII Denis Diderot, France (* contact : [email protected])
RÉSUMÉ. L’objectif de cette étude est l’étude thermique de dalles alvéolées, utilisées en
tant que planchers d’un bâtiment contenant un Matériau à Changement de Phase (MCP). La
première partie de l’étude est relative à l’étude expérimentale du comportement thermique de
trois types de dalles alvéolées : la dalle standard comprenant de l’air dans ses alvéoles et
deux dalles remplies de MCP. Un dispositif expérimental a été mis en place qui permet
d’imposer des variations de température à un échangeur thermique collé sur la face
inférieure de la dalle. Des mesures de températures et de flux à l’aide de thermocouples, de
fluxmètres et d’une caméra infra-rouge ont permis de caractériser le comportement
thermique des deux dalles pour différentes conditions climatiques. La seconde partie est une
simulation numérique réalisée à l’aide du logiciel Comsol Multiphysics. En utilisant les
propriétés thermiques (Cp, k) du MCP obtenues expérimentalement, la simulation donne des
résultats en bon accord avec l’expérience. On montre ainsi que les dalles composées de
MCP permettent un stockage efficace de l’énergie solaire entrant par les faces vitrées.
ABSTRACT. The aim of the study is to optimize floor panel by incorporating a PCM. In the
first part, the experimental comparison between the original floor panels and two optimized
panels is described. An experimental device has been developed to analyse the thermal
response of each panel and evaluate the influence of the incorporated quantity of PCM,
under different climatic conditions. In the second part, a numerical study has been performed
on COMSOL Multiphysics software. By using the thermal parameters of the PCM in the
simulation model, the numerical results are similar to the experimental ones. Deduced
numerical parameters will be used to determine the most optimised solution of PCMintegrated floor panels, as a container of the solar heat coming from windows.
MOTS-CLÉS : stockage thermique, chaleur latente, matériau à changement de phase, MCP,
bâtiment, dalle
KEY WORDS:
panel.
thermal storage, latent heat, phase change material, PCM, building, floor
XXXe Rencontres AUGC-IBPSA Chambéry, Savoie, 6 au 8 juin 2012
1.
2
Introduction
Pour économiser les combustibles fossiles et limiter les émissions des gaz à effet
de serre, il est nécessaire de gérer la production et l’utilisation de l’énergie
consacrée au chauffage et à la climatisation des bâtiments. En effet, le secteur du
bâtiment à lui seul utilise 42 % de l’énergie dépensée en Europe.
Un moyen de réduire la consommation d’énergie est d’utiliser des dispositifs de
stockage. Les caractéristiques des bâtiments conçus pour faire usage du stockage
thermique doivent inclure différents moyens ou dispositifs techniques permettant
d’accroître la masse thermique. Ces dispositifs peuvent être utilisés pour le stockage
seul ou peuvent servir également d’éléments de structure. La capacité thermique
d’un bâtiment devrait être suffisante pour stabiliser de grandes variations
quotidiennes de température et pour augmenter le déphasage entre les pics des
températures intérieure et extérieure.
Les constructions en matériaux massifs tels que la pierre peuvent permettre de
s’approcher de cet objectif. Cependant, les bâtiments actuels utilisent de plus en plus
des structures légères et il serait intéressant que ces structures puissent servir aussi
d’éléments de stockage. Ceci peut être réalisé en y incorporant des Matériaux à
Changement de Phase (MCP) en profitant de leur chaleur latente de changement
d’état qui permet de stocker/déstocker une grande quantité d’énergie. Intégré dans
les parois de bâtiment, la présence de matériau à changement de phase (MCP) joue
le rôle de régulateur de température grâce à sa capacité à stocker et restituer la
chaleur de manière déphasée : durant la saison estivale ses caractéristiques
permettent de ralentir la montée en température intérieure d’un local par le stockage
de la chaleur au fur et à mesure de la journée permettant d’éviter les pics de chaleur.
Le confort thermique est ainsi amélioré.
L’utilisation des MCP pour la climatisation et le chauffage des bâtiments a donné
lieu à de nombreux travaux de recherche durant les dernières décennies et on peut
trouver les principaux résultats dans plusieurs articles de revue [KHU04], [TYA07],
[ZHO12].
L’incorporation de MCP dans les composants de construction a déjà été réalisée
de plusieurs manières :




par incorporation directe ou par imprégnation du matériau de
construction
par incorporation de capsules remplies de MCP dans les éléments de
construction
par une fabrication de panneaux contenant des MCP pour remplacer les
murs ou les cloisons classiques
par incorporation dans un échangeur pour améliorer les performances
d’un système de climatisation.
3
Amélioration énergétique de dalles alvéolées par intégration de MCP.
Une des principales difficultés rencontrée est le conditionnement du matériau. En
effet, l’étanchéité soit du composant soit du système de stockage du matériau doit
être totale, en particulier lorsque le matériau est à l’état liquide.
Parmi les composants d’un bâtiment celui qui a été le plus étudié est
certainement le mur constituant la partie la plus importante de l’enveloppe. De
nombreuses études ont concerné la réalisation d’une enveloppe légère puisque
l’utilisation de MCP pourrait permettre d’en diminuer le volume. Par contre,
l’incorporation de MCP dans les dalles (plancher ou plafond) a été relativement peu
étudiée. Ce travail s’inscrit dans cette thématique et a le double objectif d’évaluer les
potentialités d’un nouveau MCP que l’on propose d’intégrer dans un plancher ainsi
que celles du plancher lui-même. Il s’inscrit dans la continuité d’études menées sur
plusieurs composants de construction pouvant être utilisés pour les murs d’un
bâtiment [BON11].
2.
Matériel et méthodes
2.1. Composition de la paroi d'étude
La figure 1 présente une photographie de la dalle de mortier présentant 8 alvéoles
de diamètre d = 25mm et d’épaisseur 7,1mm. Les essais ont été réalisés sur des
dalles de surface 28cmx28cm2, représentant une dalle à l’échelle 1/5. Le MCP
incorporé dans les alvéoles se présente sous la forme d’un gel de paraffine de point
de fusion voisin de 27°C.
Figure 1. Photographie de la dalle alvéolée vue de côté.
Le MCP est réalisé, par un procédé physico-chimique en cours de brevetabilité
au sein du laboratoire, en assemblant deux composants : une paraffine et un
polymère de type styrène. La composition du mélange paraffine-polymère est
optimisée de manière à éliminer complètement l’exsudation lors du changement de
phase solide-liquide de la paraffine. Les caractéristiques thermophysiques de ce
matériau ainsi que celle du mortier sont présentées tableau 1.
Tableau1. Caractéristiques du MCP et du mortier utilisé
Masse volumique Conductivité thermique
Ρ
(kg/m3)
k
(W/m.K)
MCP - T < 27,5°C
850
0.28
MCP - T > 27,5°C
780
0.18
Mortier
2127
1.00
Chaleur spécifique
Cp
(J/kg.K)
2800
2500
918
Ces valeurs sont issues de mesures expérimentales obtenues respectivement par
pesée, par la méthode de plaque chaude et par calorimétrie différentielle à balayage
(DSC). Les erreurs expérimentales sont de +/- 2% pour la conductivité thermique et
de +/- 4% pour la masse volumique.
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La figure 2 présente le
thermogramme obtenu sur un
échantillon de MCP soumis à un
chauffage respectivement de 1°C/mn,
1,5°C/mn et 2 °C/mn. Au vu de la
faible conductivité thermique du
MCP, on choisit comme référence la
vitesse la plus faible. On observe un
pic calorimétrique de changement
d’état solide-liquide autour de
27,5°C pour la vitesse de 1°C/mn.
L’intégrale du pic permet d’évaluer la
chaleur latente de fusion à 110 kJ/kg.
4
Figure 2. Puissance absorbée par un échantillon de
MCP obtenue par calorimétrie différentielle
L’étude expérimentale a été menée sur trois dalles présentées figure 3, la dalle
d’origine sans MCP et deux dalles contenant du MCP : dans la première, une alvéole
sur deux est remplie de MCP tandis que dans la seconde, toutes les alvéoles sont
remplies de MCP. La dalle alvéolée remplie d’air sera prise comme dalle de
référence.
Figure 3. Représentation schématique des dalles étudiées
2.2. Dispositif expérimental
Le dispositif expérimental, présenté sur la figure 4, est utilisé pour étudier le
comportement thermique de la dalle soumise à des sollicitations thermiques
cycliques. Il comprend un échangeur à eau associé à un bain thermostaté qui permet
de fixer la température sur la face inférieure de la dalle. Le débit d’eau est
suffisamment important pour que l’on n’observe pas de différence significative de
température entre l’entrée et la sortie de l’échangeur. De la pâte thermique est mise
entre la plaque de l’échangeur et la dalle afin d’assurer un bon contact et de bons
transferts de chaleur. Afin d’éviter des fuites thermiques sur les bords de la dalle,
une couche de mousse de polyuréthane de 8cm d’épaisseur entoure complètement le
pourtour de la dalle. Une peinture noire mate et d'émissivité mesurée à 0.9 recouvre
la surface supérieure de la dalle.
Figure 4. Représentation schématique du dispositif expérimental
Amélioration énergétique de dalles alvéolées par intégration de MCP.
5
Des cycles de montée et descente linéaire en température entre 20°C à 33°C ont
été imposés sur la face inférieure de la dalle. Deux sollicitations ont été choisies afin
de caractériser l’influence du MCP :

La première sollicitation présente trois cycles d’une durée de 24 heures.
Ainsi la charge et décharge complète du MCP est étudiée.

La deuxième sollicitation permet d’évaluer le comportement d’une dalle
réelle et prend en compte le facteur d’échelle. Cette sollicitation
présente cinq cycles d’une durée de 24/5² = 0.96 heures.
L’autre face de la dalle est en contact avec l’air ambiant de la salle de laboratoire
régulée à 20°C. Chaque face de la dalle est équipé d’un fluxmètre et de deux sondes
de température (thermocouples type T) afin d’évaluer le flux et les évolutions de
températures sur les faces. Une caméra infra-rouge Flir est également utilisée pour
contrôler l’homogénéité en température de la face de la dalle en contact avec l’air du
laboratoire. La vitesse de l’air au dessus de la dalle a été évaluée à l’aide d’un
anémomètre à fil chaud.
3.
Résultats expérimentaux
3.1. Evolution des températures
Par les relevés de température obtenus par caméra infrarouge, on constate de
faibles gradients thermiques (<2°C/m) en surface supérieure. Pour la suite de l’étude,
on considère les valeurs moyennes en température et en flux pour la face supérieure.
La figure 5 présente les variations de température enregistrées sur les faces des
dalles testées. La température en face inférieure Tinf est imposée de la même façon
sur les 3 dalles. Les températures en face supérieures sont notées T sup.
Figure 5. Relevé de températures en face supérieure de la dalle.
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Le phénomène de changement se manifeste en surface de la dalle par l’apparition
de non-linéarités dans la variation de la température. Aucun plateau de température
n’apparait en raison de la présence de la couche de mortier qui permet une
régularisation des flux en fonction du temps.
Le tableau 2 synthétise les résultats obtenus à partir des relevés de température :
Tableau 2. Réponse à la sollicitation thermique Tsup
cycle de
24 heures
cycle de
24/5² = 0.96 heures
Amplitude (°C)
Dalle 1 - réf
Dalle 2
Dalle 3
7.7
6.4
7.7
Déphasage au pic (min)
14
59
97
Amplitude (°C)
2.5
1.3
0.8
Déphasage au pic (min)
12
12
18
On note, pour les cycles étudiés, une diminution de l’amplitude des oscillations
avec la fraction en MCP. Cette atténuation est d’autant plus forte que la période est
faible.
3.2. Evolution des flux
La figure 6 présente la différence de densité de flux ΔΦ = (Φinf - Φsup) mesurée
sur chacune des dalles. Au début de chaque cycle, on peut observer une évolution
similaire de ces différences de flux ; puis en raison du stockage d’énergie sous forme
latente dans le MCP, ΔΦ2 et ΔΦ3 des dalles 2 et 3 contenant du MCP deviennent
progressivement supérieurs à ΔΦ1 de la dalle 1 sans MCP. Les flux de chaleur
échangé sont d’autant plus importants que la dalle est composée de MCP.
Figure 6. Différence de densité de flux de chaque dalle en fonction du temps
Amélioration énergétique de dalles alvéolées par intégration de MCP.
7
4. Simulation numérique
4.1. Présentation du modèle
Une modélisation en 2D, utilisant la méthode des éléments finis, a été développée
en vue de simuler le comportement thermique de la dalle. La méthode du Cp
apparent [MIN93] [AHM06] est utilisée dans la résolution de l’équation de la
chaleur dans le MCP :
 Cpapp
T

T

T

k(
)
k(
)
t
x
x
y
y
[1]
Cp
app représente la capacité thermique apparente. Ce paramètre,
où
représenté sur la Figure 8, a été évalué expérimentalement par analyse
calorimétrique différentielle (DSC). Les autres propriétés thermophysiques du MCP
et du mortier, obtenues expérimentalement (Tableau 1), sont introduites dans la
modélisation.
Le développement du modèle a été effectué sous l’environnement du logiciel
Comsol Multiphysics, qui permet de créer aisément le maillage. La géométrie ainsi
que les conditions aux limites de l'équation de la chaleur sont représentés dans la
figure 9. Le modèle 2D contient 4250 éléments triangulaires.
Figure 7. Évolution du Cp apparent du MCP
en fonction de la température mesurée par
DSC
Figure 8. Géométrie de la dalle et maillage
utilisé dans la simulation numérique.
Conditions aux limites utilisées.
Les conditions aux limites sont les suivantes. En surface inférieure de la dalle,
on impose une température homogène correspondant à la température moyenne
relevée expérimentalement en face inférieure. Sur les côtés de la dalle, on suppose
une condition de flux nul (paroi adiabatique) et sur la surface supérieure, on
considère une condition de flux convectif et radiatif avec le milieu ambiant.
 T 
4
k
)
  hc (T  Text )    (T 4  Text
 y  s
[2]
où hc est le coefficient de transfert thermique en convection naturelle et ε est
l’émissivité de la surface prise égale à 0,9 ; σ est la constante de Stefan – Boltzmann.
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Le coefficient de transfert par convection est déterminé à partir de la corrélation
classique suivante [SAC00]:
[3]
14
Nu  0,27 (Gr Pr)
valable si 3 105 < Gr Pr < 3 1010
En mesurant la vitesse de l’air au dessus de la plaque, la valeur du coefficient de
convection naturelle hc obtenue est égale à 3,5 Wm-2 K-1.
4.2. Résultats numériques
La figure 9 présente la comparaison entre les résultats issus de la simulation et les
données expérimentales. On peut observer un faible écart entre ces données
permettant de valider le modèle numérique. La légère sur-évaluation de la
température obtenue à l’aide du modèle est sans doute due à l’isolation thermique
des côtés de la dalle, qui n’est pas parfaite.
Figure 9. Températures obtenues expérimentalement et numériquement
L’utilisation du modèle permet d’accéder à l’évolution de la quantité d’énergie
stockée dans la dalle (Figure 10) ainsi qu’à la fraction de MCP ayant participée au
stockage d’énergie (Figure 11). Pour un cycle de 24H, on peut donc observer que la
durée est adaptée puisque nous constatons une fusion complète du MCP. Par contre
pour la période de 0,96heures, la fusion du MCP dans les dalles 2 et 3 est
incomplète. La quantité de MCP inséré est donc sur-évaluée. Ce modèle constitue
donc un outil permettant de donner des informations sur la quantité de MCP à mettre
en œuvre ainsi que sur la répartition du MCP dans la dalle.
Amélioration énergétique de dalles alvéolées par intégration de MCP.
9
Figure 10. Energie thermique stockée dans les dalles en fonction du temps
Figure 11. Quantité de MCP sous forme liquide en fonction du temps
4.
Conclusion
L’étude décrite dans cette communication fait partie d’un projet dont l’objectif
final est de permettre une régulation passive de la température intérieure d’un
bâtiment. La solution proposée pour y parvenir est l’incorporation un matériau à
changement de phase dans les éléments de construction. Le problème récurrent de
l’encapsulation de ces matériaux est ici résolu par le développement d’un matériau
composite paraffine/polymère.
Un dispositif expérimental a été réalisé pour tester le comportement thermique
d’une dalle dont les alvéoles sont remplies de MCP et pour le comparer à celui d’une
dalle dont les alvéoles sont vides. En imposant une température variable d’un côté de
la dalle on a montré que l’amplitude des variations de température sur l’autre face
pouvait être diminuée par la présence de MCP. Pour pouvoir optimiser la quantité
de MCP, une simulation numérique a été entreprise à l’aide du logiciel Comsol
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Multiphysics. Un bon accord a été trouvé entre les valeurs expérimentales et celles
fournies par le modèle utilisé. Ce modèle sera exploité dans le cadre d’une étude
thermique à l’échelle bâtiment, afin de définir la quantité optimale de MCP à mettre
en œuvre.
Remerciements
Les auteurs remercient le Pôle Ingénierie Matériaux de Bouygues Construction
pour son soutien financier au projet ainsi que P. Gégout et F. Barberon pour leurs
nombreux conseils et discussions fructueuses.
Bibliographie
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building applications with thermal storage by latent heat using phase change
materials, Energy Conversion and Management, 2004, 45, 263 – 275.
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[BON11] Bontemps, A., Royon, L., Developing new phase change material
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[MIN93] Minwu Y., Arnon C., An alternative formulation of the heat capacity
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[SAC00] Sacadura, J.F., Initiation aux transferts thermiques, Tech & Doc, 6 ème
édition, Paris, 2000.