Étude de dynamiques auto-adaptatives pour le bâtiment à haute performance énergétique et hygrothermique, stratégies d'isolation en présence de matériaux à changement de phase

Study on adaptive dynamics of building energy conservation and thermal insulation in the presence of phase change materials

• Auteur / Autrice : Wendong Li
• Direction : Mohammed El ganaoui, Mourad Rahim
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Énergie et Mécanique
• Date : Inscription en doctorat le 24/05/2022
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : SIMPPÉ - SCIENCES ET INGENIERIES DES MOLECULES, DES PRODUITS, DES PROCEDES ET DE L'ÉNERGIE
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LERMAB - Laboratoire d'Études et de Recherche sur le Matériau Bois

Mots clés

Mots clés libres

Énergie

Mcp

Enveloppe

Energy

Pcm

Envelop

Résumé

L'industrie de la construction est largement reconnue comme le plus grand consommateur d'énergie parmi tous les secteurs économiques. À l'échelle mondiale, elle représente 35 % de la consommation d'énergie et 38 % des émissions totales. Des mesures incitatives, telles que la création de l'étiquette "bâtiment biomasse", ont suscité un intérêt croissant pour l'utilisation de ressources renouvelables dans la construction, visant non seulement à réduire les coûts énergétiques, mais aussi à promouvoir des pratiques durables. Les matériaux biogènes, en raison de leur composition, présentent une forte sensibilité à l'humidité tout en conservant des propriétés thermiques statiques intéressantes. La nature de la chaleur et de l'eau est étroitement liée à la porosité, permettant à ces matériaux d'absorber et de réduire la vapeur d'eau dans l'environnement environnant. Pour remédier à la faible inertie thermique des matériaux légers, les matériaux à changement de phase (MCP) ont été largement utilisés dans les structures d'enveloppe de bâtiment en raison de leur capacité de stockage d'énergie significative. La double performance thermique et hydraulique des MCP améliore le confort des occupants et réduit la demande énergétique des bâtiments. L'inertie thermique cruciale des MCP est associée à leur chaleur spécifique dans la plage de changement de phase. Sa fonctionnalité dépend de la méthode d'incorporation ou de la position dans l'enveloppe, qu'il soit incorporé ou multicouche. Des études antérieures indiquent que définir un protocole fiable pour l'utilisation de MCP avec des caractéristiques sélectionnées (température de changement de phase et quantité) afin de maintenir des performances continues en fonction des variations de température quotidiennes, saisonnières et d'orientation des bâtiments est complexe. Cet article vise à résoudre ce problème en le séparant des réponses statiques et en explorant les caractéristiques des matériaux à changement de phase dans la couche MCP des deux côtés de l'enveloppe. Cette approche assure une intégration correcte de la température dans le MCP, évoluant vers des ajustements adaptatifs dans des coquilles multicouches avec une résistance thermique variable en fonction des conditions de température et d'humidité. Cela garantit des cycles de charge-décharge optimaux pour les MCP et une meilleure inertie thermique, avec des implications pour l'humidité. Les défis incluent le contrôle des variations de résistance, un contrôle prédictif cohérent avec les conditions météorologiques et des parois multiples. La première partie analyse la littérature sur les propriétés physiques et thermiques des matériaux d'isolation et des matériaux à changement de phase, basée sur une compréhension de leur rôle dans le comportement dynamique hygrothermique à plusieurs échelles des enveloppes. Des modèles de chaleur humide et des modèles de flux d'air sont proposés et analysés. La deuxième partie se concentre sur la mise en œuvre de structures d'enveloppes de bâtiments multicouches, combinées à des matériaux à changement de phase, intégrées dans un module écologique. L'enveloppe contiendra une couche de MCP capable de se déplacer librement sur les axes interne et externe de l'enveloppe. Cette étude expérimentale examine l'impact des changements de position du MCP à l'intérieur de l'enveloppe revêtue de MCP et de la variation de la résistance d'isolation induite sur la performance thermique optimale. Les variations relatives de ces résistances thermiques incluent également des décharges locales de deux résistances. L'étude de la performance hydrique-thermique de l'enveloppe sera menée lorsque la charge thermique se déplacera dans l'enveloppe, complétant ce travail avec une stratégie typique de dynamique en haut. Ces prototypes seront testés sur la plateforme de module écologique développée à l'Université de Lorraine (site de Longwy). Simultanément, des simulations numériques du comportement hygrothermique couplé de l'écoulement d'air seront réalisées et validées par des expériences. Cette simulation servira d'outil pour étendre la recherche sur divers types de climats et des conditions opérationnelles variables (type de MCP, épaisseur de MCP, enveloppe, etc.).

The construction industry is widely acknowledged as the largest consumer of energy among all economic sectors. Globally, it accounts for 35% of energy consumption and 38% of total emissions. Incentive measures, such as the creation of the "biomass building" label, have increased interest in using renewable resources in construction, aiming not only to reduce energy costs but also to promote sustainable practices. Biogenic materials, due to their composition, exhibit strong sensitivity to humidity while maintaining interesting static thermal properties. The nature of heat and water is closely related to porosity, allowing these materials to absorb and reduce water vapor in the surrounding environment. To address the low thermal inertia of lightweight materials, Phase Change Materials (PCMs) have been widely applied in building envelope structures due to their significant energy storage capacity. The dual thermal and hydraulic performance of PCMs enhances resident comfort and reduces the energy demand of buildings. The crucial thermal inertia of PCMs is associated with their specific heat within the phase change temperature range. Its functionality depends on the embedding method or position in the envelope, whether embedded or multilayered. Previous studies indicate that defining a reliable protocol for using PCMs with selected characteristics (phase change temperature and quantity) to maintain continuous performance based on daily, seasonal, and building orientation temperature variations is complex. This paper aims to address this issue by separating it from static responses and exploring the characteristics of phase change materials in the PCM layer on both sides of the envelope. This approach ensures proper temperature integration into the PCM, moving towards adaptive adjustments in multilayered shells with variable thermal resistance according to temperature and humidity conditions. This guarantees optimal charge-discharge cycles for PCMs and improved thermal inertia, with implications for humidity. Challenges include controlling resistance variations, weather-consistent predictive control, and multi-walls. The first part analyzes literature on the physical and thermal properties of insulation materials and phase change materials, based on an understanding of their role in multi-scale hygrothermal dynamic behavior of envelopes. Wet heat models and airflow models are proposed and analyzed. The second part focuses on implementing multilayer building envelope structures, combined with phase change materials, integrated into an ecological module. The envelope will contain an MCP layer capable of freely moving on the inner and outer axes of the envelope. This experimental study investigates the impact of changes in the position of MCP within the PCM-coated envelope and the variation in induced insulation resistance on optimal thermal performance. The relative changes in these thermal resistances also involve local discharges of two resistances. The study of the water-thermal performance of the envelope will be conducted when the thermal load shifts in the envelope, complementing this work with a typical top dynamic strategy. These prototypes will be tested on the eco-module platform developed at the University of Lorraine (Longwy site). Simultaneously, numerical simulations of coupled airflow hygrothermal behavior will be conducted and validated through experiments. This simulation will serve as a tool to extend research on various climatic types and variable operating conditions (PCM type, PCM thickness, shell, etc.).