Stockage d'énergie thermique dans des enveloppes hygroscopiques à base de matériaux biosourcés

Thermal energy storage in hygroscopic envelopes made with biobased materials

• Auteur / Autrice : Farjallah Alassaad
• Direction : Nassim Sebaïbi, Daniel Levacher
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 07/10/2022
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Builders École d'ingénieurs (Caen.). Laboratoire de recherche
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Caen Normandie (1971-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Miren Etxeberria, Florence Collet-Foucault, Karim Touati, Steve Goodhew, Gilles Escadeillas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Miren Etxeberria, Florence Collet-Foucault

Mots clés

Mots clés contrôlés

Consommation d'énergie

Matériaux à changement de phase

Chaleur -- Stockage

Construction en terre

Mots clés libres

Bauge

Terre allégée

SStockage d'énergie thermique

Earth construction

Cob

Light earth

Phase change material

Energy consumption

Résumé

L’objectif du présent travail est l’investigation de l’impact de l’amélioration de la masse thermique sur la consommation d’énergie et le confort hygrothermique dans des bâtiments en terre (mélanges sol-fibre). Ainsi, dans un premier temps, des mélanges de bauge et de terre allégée incorporant des matériaux à changement de phase microencapsulés (PCM) ont été élaborés. Le comportement mécanique, hygroscopique et thermique de ces mélanges sol-fibres-PCM a été étudié expérimentalementDu point de vue mécanique, l’incorporation de PCM a réduit la résistance à la compression de la bauge tout en conservant sa capacité porteuse. Une bauge incorporant 10 % wt. de PCM voit sa résistance à la compression baisser de 23 %. En revanche, la terre allégée, étant donné sa résistance à la compression déjà faible, l’incorporation de PCM ne l’a pas affectée significativement. En ce qui concerne les propriétés hygroscopiques, l’ajout de PCM a dégradé légèrement les performances de la bauge et de la terre allégé. Ainsi, les isothermes de sorption/désorption ainsi que la perméabilité à la vapeur d'eau ont diminué dans les deux cas. Ceci est supposé dû à la nature hydrophobe du PCM. Par ailleurs, l’incorporation de PCM a démontré un effet bénéfique sur les propriétés thermiques des deux mélanges. Pour une teneur en PCM de 10%wt., la conductivité thermique de terre allégée et de la bauge a baissé de 8 % et 14 %, respectivement. En considérant la conductivité thermique, un dosage optimal de PCM a été identifié. Il est de 10 %wt. pour la terre allégée et de 5 %wt. pour la bauge. Pour ce qui est de la capacité thermique massique, elle a augmenté continuellement en fonction de la teneur en PCM pour les deux matériaux.Dans un second temps, l'effet de l’incorporation de PCM sur la consommation énergétique d'une maison typique construite en bauge et en terre allégée a été étudié numériquement. Ces études ont été effectuées en considérant deux climats différents, un climat plutôt océanique dans le nord-ouest de la France (Caen) et un climat méditerranéen (Nice). Ces simulations ont montré une nette amélioration du confort thermique des occupants de la maison individuelle considérée. Dans le cas de la terre allégée avec 10 %wt. de PCM incorporé, le confort thermique (Givoni) est amélioré de 10 et 16 points à Caen et Nice, respectivement. Pour la bauge incorporant 10 %wt. de PCM, le confort thermique (Givoni) est amélioré de 3 et 7 points à Caen et Nice, respectivement. En conséquence, la consommation d’énergie liée au chauffage et au refroidissement baisserait d’environ 30 % à Caen et 38 % à Nice en considérant une terre allégée contenant 10% wt. de PCM. Pour la même teneur en PCM, la maison en bauge est supposée voir sa consommation baisser de 11 % et 44 % à Caen et à Nice, respectivement.

The present work investigates the impact of thermal mass improvement on energy consumption and hygrothermal comfort in earthen buildings (soil-fiber mixes). Thus, in a first step, cob and light earth mixtures incorporating microencapsulated phase change materials (PCM) have been prepared. Mechanical, hygroscopic, and thermal behavior of these soil-fiber-PCM mixtures were studied experimentally.Regarding mechanical behavior, PCM incorporation reduced cob compressive strength while conserving its load-bearing capacity. A cob incorporating 10%wt. of PCM decreased its compressive strength by 23 %. On another hand, light earth, given its already low compressive strength, PCM incorporation did not significantly affect this property. Regarding hygroscopic properties, PCM addition has slightly degraded cob and light earth performances. Thus, sorption/desorption isotherms as well as water vapor permeability decreased in both cases. This is assumed to be due to PCM hydrophobic nature. Furthermore, PCM incorporation demonstrated a positive effect on both mixtures' thermal properties. For 10% wt. PCM content, light earth and cob thermal conductivity decreased by 8 % and 14 %, respectively. Considering the thermal conductivity, an optimal dosage of PCM was identified. It is around 10 % wt. for light earth and 5 % wt. for cob. Regarding specific heat capacity, it increased continuously with PCM content for both materials.In a second step, the effect of PCM incorporation on a typical house's energy consumption built with cob and light earth was numerically studied. These studies were carried out by considering two different climates, a rather oceanic climate in the northwest of France (Caen) and a Mediterranean climate (Nice). These simulations revealed a clear improvement of occupant's thermal comfort in the considered single-family house. In light earth case, with 10 %wt. of PCM incorporated, thermal comfort (Givoni) is improved by 10 and 16 points in Caen and Nice, respectively. For cob incorporating 10 %wt. of PCM, thermal comfort (Givoni) is improved by 3 and 7 points in Caen and Nice, respectively. As a result, energy consumption related to heating and cooling would decrease by about 30 % in Caen and 38 % in Nice considering a light earth containing 10 %wt. of PCM. For the same PCM content, cob house is supposed to experience 11 % and 44 % decrease in energy consumption in both cities, respectively.