Caractérisation et modélisation d'enduits thermorégulants intérieurs, contenant des matériaux à changement de phase biosourcés, pour l'amélioration de l'efficacité des bâtiments

Characterization and modeling of indoor thermo-regulating coatings, containing biosourced phase-change materials, to improve the efficiency of buildings

• Auteur / Autrice : Hachmi Toifane
• Direction : Laurent Zalewski
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences pour l'Ingénieur Génie Civil
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 14/03/2023
• Etablissement(s) : Artois
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, technologie et santé (Amiens)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LGCgE - Laboratoire Génie Civil & Géo-Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : LGCgE-Artois
• Jury : Président / Présidente : Pascal Henry Biwole
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Zalewski, Pierre Tittelein, Yassine Cherif, Marie Duquesne, Patrick Glouannec
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie Duquesne, Patrick Glouannec

Mots clés

Mots clés libres

Matériau à changement microencapsulé

Stockage par chaleur latente

Enduit intérieur biosourcé

Caractérisation des propriétés thermophysiques

Surfusion

Microencapsulated change material

Latent heat storage

Biosourced interior coating

Thermophysical properties characterization

Supercooling

Résumé

Le déploiement des énergies renouvelables est en croissance constante dans un contexte de réchauffement climatique, de volonté de réduction des émissions des gaz à effet de serre ou de hausse des prix des énergies fossiles. L'emploi des énergies renouvelables offrent d'importantes opportunités pour le stockage de l’énergie du fait de l'intermittence de celles-ci. En effet, le stockage d'énergie permet de mettre en adéquation les besoins avec les ressources renouvelables, de décaler les pics de demande d'énergie sur le réseau et de stocker l'énergie lorsqu'elle est gratuite, pour le solaire notamment. Depuis deux décennies, l'intérêt des chercheurs pour les matériaux à changement de phase (MCP) est grandissant du fait que ces matériaux ont des densités de stockage thermique plus importantes que les matériaux dits "classiques" (stockage sensible). Les domaines d'application pour ces matériaux sont très nombreux, mais dans ce travail, nous nous sommes intéressés à une application dans le bâtiment. Les apports solaires au sein des bâtiments sont souvent en excès pendant la période diurne. L'idée est de stocker cette énergie gratuite au sein d'un MCP micro-encapsulé incorporé à un enduit de surface mural afin de réguler l'ambiance thermique du bâtiment le jour et de restituer cette énergie en soirée pour retarder la mise en route du chauffage en hiver ou évacuer cette énergie au moyen d'une sur-ventilation nocturne et ainsi se prémunir d'un recours à un système de climatisation. Du fait du changement d'état, dans notre cas solide <--> liquide, les modèles numériques de calculs de transferts thermiques couramment utilisés dans le bâtiment ne sont pas adaptés. Il est ainsi très difficile de reproduire le comportement thermique de ce genre de matériau et de ce fait, d'en évaluer leurs efficacité énergétique et intérêt économique. Les MCP utilisés pour ces diverses applications sont souvent des corps non purs à cause de leur coût de production ou des mélanges de MCP afin de satisfaire à des caractéristiques optimales pour une application spécifique, notamment une quantité de chaleur latente élevée ou une température de changement d'état adéquate. Pour développer des modèles numériques fiables, il est nécessaire d'avoir une bonne connaissance des propriétés thermophysiques du MCP étudié obtenues par des méthodes de caractérisations élaborées. Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse visent ainsi à développer un modèle numérique capable de reproduire le comportement thermique du matériau composite constitué d'un mélange de MCP biosourcés microencapsulé incorporé dans un enduit de plâtre. Les propriétés thermophysiques du matériau sont déterminées par méthode inverse à partir de mesures de flux expérimentaux et de flux simulés. Un échantillon d'enduit thermorégulant a été réalisé en laboratoire et sollicité thermiquement dans des conditions contrôlées. Un dispositif expérimental développé par le laboratoire LGCgE a été utilisé afin de solliciter thermiquement le matériau tout en mesurant les réponses en flux thermique et température de surface. Ceci a permis de mettre en évidence le comportement spécifique du MCP en fusion et en solidification et de développer un modèle numérique adapté, en langage python. En parallèle, deux bureaux de la faculté des sciences appliquées de Béthune ont reçu une couche d’enduit thermorégulant identique à celui caractérisé en laboratoire. Le premier bureau a reçu une couche de 3mm d'enduit sur ses murs et le second, 6 mm. Ces deux bureaux ont été instrumentés pendant plusieurs mois, ainsi que deux autres bureaux adjacents servant de référence. L'objectif était d’analyser le comportement thermique du matériau et son efficacité en conditions réelles d'utilisation. L'analyse des données a permis d’évaluer la capacité de régulation thermique de cet enduit lors des périodes d’intersaison, estivales et hivernales.

The deployment of renewable energies is constantly growing in a context of global warming, of desire to reduce greenhouse gas emissions and of the rising price of fossil fuels. The use of renewable energies offers significant opportunities for energy storage due to their intermittency. Indeed, energy storage makes it possible to match needs with renewable resources, to delay energy demand peaks on the system and to stock energy when it is free, especially for solar energy. For two decades, the interest of researchers in phase change materials (PCM) has been growing because these materials have higher thermal storage densities than the so-called "classical" materials (sensitive storage). The fields of application for these materials are very large, but in this work, we are interested in an application in the building sector. Solar energy gains in buildings are often in excess during the day. The idea is to stock this energy within a micro-encapsulated PCM incorporated in a wall surface coating in order to regulate the thermal ambiance of the building during the day and to restore this energy in the evening in order to delay the activation of the heating system in winter or to evacuate it by means of a night over-ventilation and thus to avoid the use of an air conditioning system. Due to the change of phase, in our case solid <--> liquid, the numerical models of heat transfer calculations currently used in the building are not adapted. It is thus very difficult to reproduce the thermal behavior of this type of material and therefore, to evaluate their energy efficiency and economic interest. The PCMs used for these various applications are often non-pure materials because of their production cost or mixtures of PCMs in order to satisfy an optimal characteristic for a specific application, such as a high latent heat quantity or an adequate change of state temperature. In order to develop reliable numerical models, a solid knowledge of the thermophysical properties of the studied PCM is required, and consequently, elaborate characterization methods. The work carried out of this thesis aims to develop a numerical model able to reproduce the thermal comportment of a composite material made of a mixture of microencapsulated bi-sourced PCMs incorporated in a plaster coating. The thermophysical properties of the material are determined by inverse method from experimental measured heat fluxes and simulated heat fluxes. A sample of thermoregulating coating was made in the laboratory and thermally solicited under controlled conditions. An experimental setup developed by the LGCgE laboratory was used to thermally solicit the material while measuring the thermal fluxes and surface temperatures responses. This allowed to highlight the specific behavior of the PCM fusion and solidification and to develop an adapted numerical model, in python language. In parallel, two offices of the Faculty of Applied Sciences of Béthune received a layer of thermoregulating plaster identical to the one characterized in the laboratory. The first office received a 3mm layer of coating on its walls and the second, 6 mm. These two offices were instrumented for several months, as well as two other adjacent offices serving as references. The objective was to analyze the thermal behavior of the material and its efficiency under real use conditions. The analysis of the data made it possible to evaluate the thermal regulation capacity of this coating during the inter-season, summer and winter periods.