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Contrat ADEME - PUCA N°°°° 04 04 C 0073 Notifié le 28/12/2004

D. QUENARD – H. SALLEE – K. JOHANNES – A. HUSAUNNDEE

Utilisation des Matériaux àChangement de Phase (MCP) en climatisation passive et chauffage d’intersaison

PA Consult

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Trois Types de Technologies

� Isolation :

� Panneaux Isolants sous Vide

� Apports Solaires Contrôlés

� Vitrages / Protections Solaires

� Stockage de Chaleur – Réémission

� Matériaux à Changement de Phase

Technologie Complémentaire : Ventilation Nocturne

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Trois Echelles d’Analyse

Composants :

� Réponse à des sollicitations contrôlées (rampes, sinusoïdes …)

�Matériaux :

� Analyse Thermique : T, λλλλ, Cp, L

Maquettes :

� Comportement en site extérieur

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�Partie expérimentale

3

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Trois Echelles d’Analyse

Composants :

� Réponse à des sollicitations contrôlées (rampes, sinusoïdes …)

�Matériaux :

� Analyse Thermique : λλλλ, Cp, L

Maquettes :

� Comportement en site extérieur

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Matériaux à Changement de Phase

Température de Fusion (°°°°C)

40

PEG

Choix des MCP

� Acide GrasEutectique (Myristique-Caprique)

Tf = 21.5 °°°°C� Paraffine

Tf = 25 °°°°C� Sel Hydraté

Eutectique (Chlorure Calcium + Potassium)Tf = 27 °°°°C

Enthalpie (kJ/L)

4

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Enthalpie – DSC - µcalorimétrie

Sensibilité à la Vitesse de mesure et à la Masse

Pâtre + MCP

T « onset »

Source : IEA – ECES – Annexe 17

T « fusion »

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 400

5

10

15

L=25 J/g.K

3°C/min (180°C/h) 0.3 °C/min (18°C/h)

Cp

J/g

.K

T °C

L=28 J/g.K

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16 18 20 22 24 26 28 30 32 34-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250

300

350

Cp

J/g

.K

T °C

Exothermique

Endothermique

refroidissement

chauffage

16 18 20 22 24 26 28 30 32 34-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250

300

350

Cp

J/g

.K

T °C

Exothermique

Endothermique

refroidissement

chauffage

16 18 20 22 24 26 28 30 32 34-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250

300

350

Sel Acide gras Paraffine

Cp

J/g

.K

T °C

Exothermique

Endothermique

refroidissement

chauffage

Enthalpie - Surfusion

-Sel Hydraté

Surfusion

0,05 °C/min3 °C/heure

Exemple de courbe expérimentale

MCP :- Paraffine- Acide gras

5

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Trois Echelles d’Analyse

Composants :

� Réponse à des sollicitations contrôlées (rampes, sinusoïdes …)

�Matériaux :

� Analyse Thermique : λλλλ, Cp, L

Maquettes :

� Comportement en site extérieur

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PAROI EN BRIQUES DE VERRE

Paraffine, Acide Gras, Brique Verre vide

15

17

19

21

23

25

27

29

31

33

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Temps (h)

Tem

péra

ture

(°C

)

T1 échangeur - Sollicitation Sinusoïdale

T2 Brique Vide

T2 Paraffine

T2 Acide Gras

Déphasage

Amortissement

6

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Trois Echelles d’Analyse

Composants :

� Réponse à des sollicitations contrôlées (rampes, sinusoïdes …)

�Matériaux :

� Analyse Thermique : λλλλ, Cp, L

Maquettes :

� Comportement en site extérieur

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01/07/2006 03/07/2006 05/07/20060

10

20

30

40

50

60

0

200

400

600

800amortissement 3°C

Air Extérieur

Tem

péra

ture

°C

Temps Jours

Air Intérieur (MCP)

Briques MCP

Air Intérieur

amortissement 5°C

zone de fusion

Ray

onne

men

t W/m

²

Cellules jumelles Sel 27.5 °C

Cellules jumellesCloison en Briques de verre

Chaleur Sensible : ρCpChaleur Latente : L

7

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� Résultats de simulation

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Comparaison Expérience/Simulation

Acide Gras - Briques de verre

Convection dans les briques et surfusion non-prises en compteModèle en cours d’amélioration

TRNSYSavec

Module MCP1D

Cp fct affine par morceau

8

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Cellules Jumelles

Simulation - Briques de verre

Influence de l’épaisseur de la brique de verre

Faible au-delà de 6 cm

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

10/6/0600:00

10/6/0612:00

11/6/0600:00

11/6/0612:00

12/6/0600:00

12/6/0612:00

13/6/0600:00

T [°C]

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000Ehz

[W/m²]TEXT ep=0.02ep=0.06ep=0.08ep=0.10EHZ

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� Apports importants, une occupation intermittente et une inertie légère

� 2 occupants de 7h à 19h, taux d’occupation de 80% ����252 W

� Equipements ���� 114 W

Simulation SIMBAD

Bureau - CEN TC89 WG6

2,8m

5,5m

3,6m

5m²

9

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Caractérisation du bureau

� Protections solaires mobile en fonction de l’intensitélumineuse, protections solaires baissées en inoccupation

� Système d’éclairage de 12 W/m²

� Fenêtres ouvertes à moitié en occupation si text > 20°°°°C

� Sur-ventilation nocturne de 5 vol/h de 22h à 7h

� Système de ventilation assurant 25m3/h par personne en occupation

� 80% de surface couvert de MCP faux plafond

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Simulations

� Combinaisons Climat et MCP

� Trappes été: acide gras – semaine chaude

� Trappes été: paraffine

� Nice été: acide gras

� Nice mi-saison: acide gras

� Carpentras été: acide gras

� Carpentras mi-saison: acide gras

� Mâcon été: acide gras

� Mâcon mi-saison: acide gras

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Simulations

� Combinaisons Climat et MCP

� Trappes été: acide gras – semaine chaude

� Trappes été: paraffine

� Nice été: acide gras

� Nice mi-saison: acide gras

� Carpentras été: acide gras

� Carpentras mi-saison: acide gras

� Mâcon été: acide gras

� Mâcon mi-saison: acide gras

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RésultatsInfluence de la sur-ventilation

Acide gras 5mm à Trappes en été

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

1 10 19 28 37 46 55 64 73 82 91 100 109 118 127 136 145 154 163

heure sur une semaine au mois d'Août

Tem

péra

ture

en

°C

Top [°C] mcp 5mm Top sans mcp sans surventilation [°C]Text [°C] Top sans mcp avec surventilation [°C]

Les MCP et la sur-ventilation nocturne sont complémentaires

pour assurer le confort pendant l’après midi

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Conclusions & Perspectives

� Intérêt des MCP pour le confort d’été

� Cellules SimplesValidation des modèlesAmortissement maximum obtenu: 12 °°°°CSur-ventilation nocturne pour améliorer la solidification des MCP.

� Cellules JumellesEfficacité plus faible que pour les cellules simples

(rapport surface/volume)Amortissement maximum obtenu: 5°°°°C

� Comparaison difficile des différents MCP testés

� Modification des cellules : contrôler les apports solaires, ventilation nocturne …

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� Amélioration des modèles : Surfusion, Cp réel à vitesse lente, ponts thermiques, convection dans les briques …

� Étudier l’influence du climat, du volume, de la quantité de MCP, du stockage à chaleur sensible équivalente

� Approche expérimentale en conditions contrôlées et en site réel (bureau, logement) : IMCPBAT - RENOKIT

� Sélectionner le matériau adapté pour un bâtiment donné et un site donné (Zones Climatiques …)

� Guide de Pré-Sélection : usage, Tic, type de bâtiments, zones climatiques …

Conclusions & Perspectives

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Merci de votre Attention