UNIVERSITE KASDI MERBAH OUARGLA
FACULTE DES SCIENCES ET DE LA
TECHNOLOGIE ET SCIENCES DE LA MATIERE
DEPARTEMENT DE GENIE DES PROCEDES
Mémoire
présenté pour l’obtention du diplôme de
MAGISTER
Spécialité : Génie des procédés
Option : Procédés et environnement
Présenté par :
Ghedamsi Rébha
Thème
Soutenu publiquement
le : ../../2013
Devant le jury:
Mr. D. Zerrouki MC (A) Président UKM Ouargla
Mr. A. Boubekri MC (A) Examinateur UKM Ouargla
Mr. S. Saouli Professeur Examinateur UKM Ouargla
Mr. N. Settou Professeur Encadreur UKM Ouargla
2012/2013
Elaboration d'un matériau de construction en vue de l'isolation thermique des bâtiments
N°d’ordre : N° de série :
Elaboration d'un matériau de construction en vue de l'isolation thermique des bâtiments
Résumé
Les charges de chauffage et de refroidissement des bâtiments sont la plupart du temps dues à la transmission de chaleur à travers l'enveloppe de bâtiment. Du point de vue d'économie d'énergie, la façon la plus efficace de réduire ces charges est de réaliser une isolation thermique à l'enveloppe de bâtiment, entre autres, en utilisant des matériaux à changement de phase. L'efficacité des systèmes de protection des murs dépend de plusieurs paramètres tels que l’orientation, les dimensions et leur fonctionnement thermique, vis à vis du climat. L'objectif de ce travail est d'étudier le comportement thermique d'une paroi en plâtre contenant trois types différents de MCPs (Eicosane, Na2CO3.10H2O et CaCl2.6H2O) avec des concentrations variables pour mettre en évidence l’importance de la quantité et la qualité de MCP et la détermination de la concentration optimale de l'isolation pour différentes orientations de mur sous les conditions climatiques de la ville de Ouargla. Les résultats indiquent que le CaCl2.6H2O donne des bons résultats comparé avec les autres MCPs étudiés. L'augmentation de pourcentage de MCP permet d'augmenter l'inertie thermique. Une étude d'optimisation technico-économique a permis d'obtenir une concentration optimale de 15% de CaCl2.6H2O et ce pour toutes les orientations. En plus, les orientations Ouest et Sud fournissent des charges de transmission de chaleur de refroidissements égaux qui sont le plus fortement comparés aux orientations de l'Est et du Nord. La charge de refroidissement la plus faible est donnée pour le mur exposé au nord et le temps de retour d'investissement pour les orientations Sud/ Ouest, Est, et Nord est respectivement de 10.51, 9.14 et 8.51 ans.
Mots-clés: bâtiments, économie d'énergie, MCPs, orientation, optimisation technico-économique.
Preparation of construction material for the thermo insulation of the buildings
Abstract
The heating and cooling loads of buildings are most of the time due to heat transfer through building envelope. From the point of view of energy saving, the most effective way to reduce these loads is to carry out thermo isolation with building envelope, between others, by using phase change materials. The effectiveness of walls protection systems depends on several parameters such as orientation, size and their thermal operation, with respect to the climate. The objective of this work is to study the thermal behavior of plaster wall containing three different types of MCP (Eicosane, Na2CO3.10H2O and CaCl2.6H2O) with variable concentrations to highlight the importance of quantity and quality of MCP and the determination of optimal insulation concentration for various wall orientations under the climatic conditions of Ouargla city (at south of Algeria). The results indicate that CaCl2.6H2O gives good performances compared with other MCPs. The increase in MCP percentage makes it possible to increase thermal inertia. Techno-economic optimization study made it possible to obtain an optimal concentration of 25% of CaCl2.6H2O for all wall orientations. Moreover, West and South orientations provide heat transfer loads at equal cooling which are most strongly compared with East and North orientations. The weakest cooling load is given by the wall exposed to the North and the payback period is for all wall orientations South/ West, East and North are respectively: 10.51, 9.14 and 8.51 years.
Key words: buildings, energy saving, MCPs, orientation, techno-economic optimization.
.نىاالمببناء من اجل العزل الحراري في ةتحضیر ماد
ملخص
من وجھة نظر االقتصاد في استھالك . التسرب الحراري عبر جدران و سقف ھذه البنایات بسببغالبا ، وتبرید البنایات تدفئةتنتج تكلفة تتغیر فاعلیة ھذه المواد بعدة عوامل . متغیرة الحالة وذلك باستخدام الموادبعزل الغالف الخارجي القیام الحل االمثل لتخفیض ھذه التكلفة ھو الطاقة
ختلفة الھدف من ھذا العمل ھو دراسة السلوك الحراري لجدار جبس یحتوي على ثالث انواع م.االبعاد، الخصائص الفزیائیة والمناخ، مثل االتجاهمختلفة التراكیز من اجل معرفة اھمیة الكمیة و النوعیة لھذه المواد ) CaCl2.6H2Oو Na2CO3.10H2O, Eicosane (من المواد متغیرة الحالة
یعطي CaCl2.6H2O النتائج أسفرت على ان. و تحدید التركیز االمثل للعازل في عدة جھات مختلفة للحائط تحت الظروف المناخیة لوالیة ورقلة الدراسة التقنیة االقتصادیة . مقارنة بالنوعین المدروسین و زیادة نسبة المواد متغیرة الحالة تسمح بزیادة الخمول الحراري أداء جید مقارنة مع
نفس كمیة اضافة الى ذلك الجھتین الغربیة والجنوبیة تملكان . في كل الجھات %15ھو CaCl2.6H2O المثالیة بینت بان التركیز المثالي لـ نلمس أقل كمیة ناتجة من الجدار الموجھ ناحیة الشمال و ، الحرارة المتسربة عبر الجدار أین نسجل أكبر كمیة مقارنة بالجھتین الشمالیة و الشرقیة
.سنة 8.51 و9.14 ، 10.51الشرقیة والشمالیة ھي على التوالي، الجنوبیة /مدة استرجاع ثمن االستثمار في كل الجھات الغربیة
. التقنیة االقتصادیة المثالیة، الجھة ، المواد متغیرة الحالة، اقتصاد الطاقة، البنایات :الكلمات الدالة
Remerciements
Avant tout, je remercie ALLAH, le tout puissant, de m’avoir donné le courage
et la volonté pour accomplir ce travail de recherche.
Je tiens à remercier sincèrement Monsieur Settou Noureddine Professeur à
l’université KASDI MERBAH Ouargla, qui, en tant que Directeur de mémoire,
s'est toujours montré à l'écoute et très disponible tout au long de la réalisation de ce
mémoire malgré ses charges académiques, ainsi pour l'inspiration, l'aide et le temps
qu'il a bien voulu me consacrer.
Mes vifs remerciements vont à Monsieur D. Zerrouki, maitre de conférence à
l’université KASDI MERBAH Ouargla, de m’avoir fait l’honneur de présider mon
jury de mémoire.
Je remercie vivement Monsieur S. Saouli Professeur à l’université KASDI
MERBAH et Monsieur A. Boubekri Docteur à l’université de Ouargla, d’avoir
accepté de juger ce document.
Mes vifs remerciements s'adresse à Monsieur: B. Dokkar, N. Saifi, H.
Necib, B. Negrou et N. Chennouf, des maitre de conférences à l'université de Ouargla,
pour ses encouragements,ses conseils et son aide.
En préambule à ce mémoire, je souhaitais adresser mes remerciements les plus
sincères à K. Bouziane, S. Rahmouni, Z. Ackchiche et M. Tokha.
Mes remerciements les plus sincères à toutes les personnes qui auront contribué de
près ou de loin à l'élaboration de ce mémoire.
Sommaire
Page
Nomenclature I
Listes des figures III
Liste des tableaux VI
Introduction générale 1
Chapitre I: Etude bibliographique
Chapitre II: Consommation d'énergie et le confort thermique
II.1. Introduction 11
II.2. Notion d’économie d’énergie 11
II.2.1. Consommation énergétique en Algérie 12
II.2.1.1. Consommation spécifique moyenne d'électricité par client basse tension 13
II.2.1.2. Consommation spécifique moyenne du gaz par abonné basse pression 13
II.2.2. La consommation énergétique à Ouargla 14
II.2.2.1. La consommation de l'électricité 14
II.2.2.2. La consommation du gaz naturel 15
II.3. Le confort thermique 16
II.3.1. Notion de confort 16
II.3.2. Le confort dans l’habitat 16
II.3.3. Le confort thermique 17
II.3.4. Le bilan thermique 17
II.3.5. Les échanges thermiques avec l’environnement 18
II.3.5.1. L'échange thermique par conduction 19
II.3.5.2. L'échange thermique par rayonnement 19
II.3.5.3. L'échange thermique par convection 19
II.3.5.4. L'échange thermique par évaporation 19
II.3.6. Evaluation du confort thermique 19
II.3.6.1. La méthode de diagramme bioclimatique de Givoni 20
II.3.6.2. Indices de confort thermique 20
II.3.7. Facteurs influant sur le confort thermique 21
II.3.7.1. Facteurs liés aux conditions climatiques 21
II.3.7.1.1. La température de l'air intérieur et des parois (radiante) 21
II.3.7.1.2. L'humidité de l'air 21
II.3.7.1.3. Le vent 22
II.3.7.1.4. La radiation solaire 22
II.3.7.2. Facteurs liés à la conception 22
II.3.7.2.1. L'orientation 22
II.3.7.2.2. Morphologie de l'habitat 24
II.3.7.2.3. L'albédo 25
II.3.7.2.4. Microclimat 26
II.3.7.2.5. La ventilation 27
II.3.7.2.6. Lumière 27
II.3.7.2.7. L'isolation thermique 27
II.4. Conclusion 28
Chapitre III: Généralités sur les matériaux à changement de phase
III.1. Introduction 30
III.2. Le stockage d'énergie 30
III.2.1. Le stockage thermochimique 31
III.2.2. Le stockage chimique 32
III.2.3. Le stockage par chaleur sensible 32
III.2.4. Le stockage par chaleur latente 33
III.2.4.1. Les contraintes technologiques du stockage par chaleur latente 35
III.2.4.2. Les avantages du stockage par chaleur latente 35
III.3. Les Matériaux à Changement de Phase (MCP) 35
III.4. Les matériaux à changement phase couramment utilisés 36
III.4.1. Les MCP inorganiques 37
III.4.2. Les MCP organiques 38
III.4.3. Les MCP eutectiques 38
III.5. Quelques phénomènes ayant un impact sur l'efficacité du stockage 39
III.5.1. La surfusion 39
III.5.2. La surchauffe 40
III.5.3. La dilatation 41
III.5.4. La corrosion 41
III.5.5. La ségrégation de phase 41
III.6. Critères de choix 41
III.7. Méthodes de conditionnement des MCP dans les applications de stockage
thermique 42
III.7.1. La microencapsulation 42
III.7.2. La macro-encapsulation 43
III.8. Les applications 44
III.8.1. Les applications des MCP dans le bâtiment 44
III.8.1.1. Utilisation passive des MCP en bâtiment 45
III.8.1.2. Intégration des MCP dans l'enveloppe du bâtiment 46
III.8.1.2.1. Les plaques de plâtres-MCP 47
III.8.1.2.2. Les enduits à base de MCP 47
III.8.1.2.3. Les murs trombes à base de MCP 48
III.8.1.2.4. Les blocs de béton-MCP 49
III.8.2. Autres intégrations des MCP dans le bâtiment 49
III.8.2.1. Les MCP dans les fenêtres 49
III.8.2.2. Les MCP dans les rideaux 50
III.8.2.3. Les MCP dans le plafond et dans le plancher 51
III.8.3. Utilisation active des MCP en bâtiment 52
III.9. Conclusion 53
Chapitre IV: Théorie de la modélisation
IV.1. Introduction 54
IV.2. Estimation d'énergie solaire 54
IV.2.1. Importance et effet du rayonnement solaire en architecture 54
IV.2.2. Aperçu de la ressource 54
IV.2.3. Aspects géométriques 56
IV.2.3.1 Mouvements de la terre autour du soleil 56
IV.2.3.2 .La position du soleil 57
IV.2.3.3. Données astronomiques 57
IV.2.3.3.1. Latitude 57
IV.2.3.3.2. Longitude 57
IV.2.3.3.3. L'altitude 57
IV.2.3.3.4. Déclinaison δ 58
IV.2.3.3.5. L'angle horaire 58
IV.2.3.3.6. Le temps solaire vrai 58
IV.2.3.3.7. Le temps solaire moyen (TSM) 58
IV.2.3.3.8. Temps universel (TU) 59
IV.2.3.3.9. Le temps légal (TL) 59
IV.2.3.3.10. Hauteur de soleil ℎ 59
IV.2.3.3.11. Azimut du soleil 59
IV.2.3.4. Durée d'insolation 60
IV.2.3.5. Intensité du rayonnement solaire sur une paroi 61
IV.2.3.5.1. Le rayonnement direct 61
IV.2.3.5.2. Le rayonnement diffus 61
IV.2.3.5.3. Le rayonnement réfléchi ou albédo 61
IV.2.3.6. Rayonnement solaire horaire sur une surface inclinée 62
IV.2.3.7. Rayonnement global pour un mur vertical 63
IV.3. Théorie de la solidification-fusion 63
IV.3.1. La solidification-fusion d’un produit pur 64
IV.3.2. La solidification-fusion d’un mélange homogène 64
IV.3.3. Formulation mathématique et solution analytique du transfert de chaleur
avec changement de phase : application 1D 65
IV.3.4. Solutions numériques du transfert de chaleur avec changement de phase :
application 1D 67
IV.3.4.1. La méthode enthalpique 68
IV.3.4.2. La méthode du Cp apparent 68
IV.3.4.3. La méthode choisie 69
IV.4. Conclusion 70
Chapitre V: Simulation numérique
V.1. Introduction 71
V.2. Analyse climatique de la ville de Ouargla 71
V.3. Détermination de la zone climatique de la ville de Ouargla 74
V.4. Choix du matériau à changement de phase 75
V.4.1. But du travail 75
V.4.2. Description du problème 75
V.4.3. Modèle mathématique 76
V.4.3.2. Processus de calcul 79
V.4.3.3. Validation des procédures de calcul 81
V.4.4.Les cas étudiés 81
V.4.4.1. Les grandeurs analysées 83
V.4.4.2. Propriétés thermophysiques des matériaux 83
V.4.4.3. Variation de la température de la surface intérieure en fonction de la
concentration et le type de MCP 84
V.4.4.4. Comparaison des simulations pour différents MCPs 87
V.5: Effet de l'orientation de mur sur la concentration optimale de MCP 91
V.5.1. Effet de l'orientation sur la température intérieure d'un mur vertical 91
V.5.1.1.Modèle physique 91
V.5.1.2. Modèle mathématique 92
V.5.1.3.Les conditions initiales et aux limites 93
V.5.2. Analyse économique 99
V.6. Conclusion 102
Conclusion générale 104
Bibliographie 106
Annexes 111
Annexe 1 111
Annexe 2 112
Annexe 3 113
I
Nomenclature et abréviations
Symboles latines Signification Unité Echanges par convection respiratoire (respiration sèche) W/m2 Coût total $/m2 Coefficient de forme m-1 Capacité calorifique du MCP par chaleur sensible kJ/kg °C Coût d'isolation par unité de surface du mur $/m2 Coût de MCP par unité de volume $/m3 Cout d'électricité $/kWh Coefficient de performance du dispositif de climatisation - Cout d'énergie $/m2 Echanges par rayonnement W/m2 Echanges par convection W/m2 Echanges par conduction W/m2 Echanges par évaporation de la sueur W/m2 Echanges par diffusion de la vapeur d'eau W/m2 Echanges par évaporation respiratoire W/m2 Echanges par rayonnement W/m2 Taux d'inflation % Production de chaleur interne (surfacique) W/m2 Rayonnement direct sur une surface inclinée W/m2 Rayonnement solaire horaire diffus sur une surface inclinée W/m2 Rayonnement solaire global horaire sur une surface inclinée W/m2 Rayonnement direct horaire sur une surface horizontale W/m2 Rayonnement global horaire sur une surface horizontale W/m2 Rayonnement diffus horaire sur une surface horizontale W/m2 Rayonnement direct sur une surface inclinée W/m2 Taux d'intérêt % Conductivités thermiques pour la phase solide W/m2.°C Conductivité thermique pour la phase liquide W/m2.°C Chaleur latente de fusion kJ/kg
II
L Epaisseur de la couche de plâtre/MCPs m Durée de vie Ans Facteur de la valeur actuelle - Gain annuel de la chaleur kWh/m2 Taux d'actualisation % Stockage dans l'organisme W/m2 Surface de l'enveloppe m2 Volume habitable m3
Symboles grecques Angle entre le plan horizontal et le plan considéré
(inclinaison)
°C
Masse volumique pour la phase solide kg/m3 Masse volumiqus pour la phase liquide kg/m3
Abréviation
BT Basse tension
BP Basse pression
CERTECH Centre de ressources technologiques en chimie, Seneffe
Belgique
MCP Matériaux à changement de phase
PCMs Matériau à changement de phase microencapsulé
TEP Tonne Equivalent Pétrole
III
Liste des figures
Figure Intitulé Page
I.1 Tuiles avec MCP 6
I.2 Schéma comparatif des inerties thermiques en fonction de l'épaisseur et la
nature du matériau
6
I.3 Schéma de l'installation pour l'étude du comportement thermique des
parois
8
I.4 Photographie d'une brique creuse (à droite) et de la brique remplie de paraffine
(à gauche) 9
I.5 Principe général du fonctionnement du montage expérimental 10
II.1 Consommation finale par secteur d'activité en 2010 12
II.2 Consommation énergétique en Algérie dans le secteur ménager: période
2007-2010.
15
II.3 Consommation d’électricité à Ouargla dans le secteur résidentiel (2006-
2011)
15
II.4 Consommation gazière à Ouargla dans le secteur résidentiel (2006-2011) 15
II.5 Les échanges thermiques du corps humain 19
II.6 Diagramme bioclimatique de Givoni 20
II.7 Exemple de surfaces pour différentes orientations à partir du Nord 23
II.8 Classes d'orientations pour le climat méditerranéen en été. 24
II.9 Azimut de la paroi verticale suivant l'orientation. 24
II.10 Coefficients d'absorption pour différents matériaux et différentes couleurs 26
II.11 Eau et plantation complètent la conception de l'édifice 26
II.12 Répartition des déperditions thermiques dans une habitation 28
III.1 Evolution de la température d'un corps pur homogène avec changement
d'état
34
III.2 Classification des matériaux de stockage de l'énergie 37
III.3 Solidification présentant une surfusion. 40
III.4 Différentes formes de la macro-encapsulation. 44
III.5 La répartition (possible) des MCP dans la paroi. 46
III.6 Modèle de mur contenant une plaque de plâtre-MCP. 47
IV
III.7 Configuration d’un modèle de mur trombe MCP 48
III.8 Fenêtre glass (X) fabriqué par Dietrich. (a) prototype à l’échelle1, (b)
évolution des rayons solaires estivale et (c) évolution des rayons solaires
hivernale
50
III.9 Rideaux à MCP 51
III.10 Panneau à base de MCP fabriqué DuPont™ Energain®. (a) le modèle que
l’on installe au plafond et (b) un exemple de montage de ce panneau dans
un plafond
52
IV.1 Répartition spectrale du rayonnement solaire hors atmosphère 55
IV.2 Schématisation des mouvements de la Terre autour du Soleil 56
IV.3 Définition des coordonnées terrestres d’un lieu donné 57
IV.4 Position du soleil 60
IV.5 Solidification d’une substance pure 64
IV.6 La solidification d’un produit homogène 65
IV.7 Evolutions de la capacité thermique en fonction de la température
(fonction gaussienne)
70
V.1 Localisation géographique de la wilaya de Ouargla 72
V.2 Interprétation des données climatiques de la région d’Ouargla (2000-2010) 73
V.3 Diagramme ombrothermique de la ville de Ouargla 74
V.4 Modèle physique pour l'étude du comportement thermique des parois 76
V.5 Organigramme de calcul 79
V.6 Validation du travail présent obtenu et la littérature (Borreguero) 80
V.7 Flux de chaleur entrant de paroi en plâtre 82
V.8 La capacité thermique apparente de parois de plâtre avec différentes
concentrations (Cas CaCl2.6H2O avec 0%, 5%, 10% et 50%)
83
V.9 Comparaison des évolutions de la température intérieure pour des
concentrations différentes (cas: eicosane)
84
V.10 Comparaison des évolutions de la température intérieure pour des
concentrations différentes (cas: Na2CO3.10H2O)
85
V.11 Comparaison des évolutions de la température intérieure pour des
concentrations différentes (cas: CaCl2.6H2O)
85
V.12 Comparaison de la variation de la température intérieure pour trois parois
de concentrations identique
88
V
V.13 Les coûts des MCP en fonction de la quantité 90
V.14 La structure du mur multicouche 92
V.15 Radiations global pour un mur vertical pour quatre orientations durant un
mois froid de l’année -Janvier- pour la ville de Ouargla
94
V.16 Radiations global pour un mur vertical pour quatre orientations durant un
mois chaud de l’année -Juillet- pour la ville de Ouargla
95
V.17 Effet de l'orientation sur la température intérieure d'un mur vertical (17
Juillet)
96
V.18 Effet de l'orientation sur la température intérieure d'un mur vertical:(a)
sans MCPs, (b) avec MCPs (15%)
97
V.19 Effet de la concentration du MCP sur le gain de chaleur pour un mur
vertical pour quatre orientations.
98
V.20 Gain de chaleur annuel pour un mur orienté Nord, Sud, Est, et Ouest à
différentes concentrations du MCP
99
V.21 Le coût du MCP et le coût total en fonction avec la concentration du MCP
pour chaque orientation
102
VI
Liste des tableaux
Tableau Page
II.1 Consommation spécifique moyenne d'électricité par client 13
II.2 Consommation spécifique moyenne du gaz par foyer 14
III.1 Propriétés des matériaux de stockage de chaleur sensible à 20 °C 33
III.2 Avantages et inconvénients comparés des différents changements d'état. 36
III.3 Certaines propriétés thermiques de certains MCP 39
III.4 Différents critères à respecter lors du choix d'un MCP 42
V.1 Comparaison des valeurs de la température et écart entre des courbes
obtenues par la simulation numérique et la littérature
81
V.2 Les propriétés physiques des matériaux utilisés 84
V.3 Variation des températures maximales et minimales sur la surface
intérieure en fonction de la concentration (Cas: Eicosane)
86
V.4 Variation des températures maximales et minimales sur la surface
intérieure en fonction de la concentration (Cas: Na2CO310H2O)
86
V.5 Variation des températures maximales et minimales sur la surface
intérieure en fonction de la concentration (Cas: CaCl2.6H2O)
86
V.6 La comparaison entre la valeur maximale et la valeur minimale de la
température de la surface intérieure pour chaque type de MCP (10%
MCP)
88
V.7 Comparaison entre la valeur maximale et la valeur minimale de la
température de la surface intérieure pour chaque type de MCP (15%
MCP)
89
V.8 La comparaison entre la valeur maximale et la valeur minimale de la
température de la surface intérieure pour chaque type de MCP (50%
MCP)
89
V.9 Les prix de chaque composé étudié 90
V.10 Les paramètres utilisés dans les calculs 101
Introduction générale
1
Introduction générale
L’énergie depuis le commencement des âges a été le moteur de l’activité humaine, et
c’est un élément qui intervient dans tous les actes quotidiens de l’homme. Les énergies jouent
un rôle de catalyseur principal dans la génération du confort pour une nation et a un rôle
significatif dans le développement des secteurs technologiques, industriels, économiques et
sociaux.
Pour maintenir la vivacité du développement des nations ainsi que pour améliorer le
statut social et économique dans les pays en voie de développement, une grande importance
est donnée pour équilibrer l'énorme espace entre la production d'énergie et la consommation.
La première crise pétrolière du début des années 1970 a totalement modifié le rapport
des pays occidentaux avec l'énergie. L'énergie abondante et bon marché, est devenue un bien
rare et cher. Les efforts ont été concentrés d'une part sur la baisse du coût de l'énergie, et
d'autre part sur la réduction de la consommation énergétique. Ensuite les préoccupations
environnementales, ainsi que la prise de conscience du caractère fini des énergies fossiles ont
pris une part croissante dans la gestion énergétique mondiale. Le réchauffement climatique
global, dû aux émissions de gaz à effet de serre, et plus particulièrement le CO2 provenant de
la combustion des énergies fossiles est un fait établi et étudié par la communauté scientifique.
La raréfaction des ressources mondiales en énergie fossiles, bien que la date de la fin du
pétrole ne soit pas l'objet d'un consensus, est un phénomène qui va nécessairement favoriser la
hausse du coût de l'énergie. Ces deux facteurs obligent à repenser l'utilisation et la production
de l'énergie.
Le bâtiment (secteurs résidentiel et tertiaire) en 2010 consomme environ 40% de
l'énergie mondiale totale [1]. En Algérie, cette proportion est de 39% et le secteur du bâtiment
est le premier consommateur d'énergie [2]. Une grande partie de cette consommation provient
des systèmes de chauffage et de climatisation qui assurent une température intérieure
compatible avec les conditions de confort. La meilleure façon de diminuer les besoins
énergétiques d'un bâtiment demeure la réduction des pertes et par conséquent l'amélioration
de l'isolation thermique des parois. L’utilisation de Matériaux à Changement de Phase (MCP)
dans les parois peut remédier à ce problème, grâce à la forte chaleur latente qu’ils échangent
lors des transferts thermiques.
Introduction générale
2
Le rafraîchissement des bâtiments grâce au stockage d’énergie thermique par les
Matériaux à Changements de Phase (MCP) en bâtiments est un procédé naturel couramment
utilisé depuis l’antiquité.
L'utilisation des matériaux à changement de phase (MCP) encapsulés doit permettre
de stocker/déstocker l’énergie provenant des apports solaires ou internes. Les applications aux
bâtiments permettront une amélioration du confort thermique des usagers et une réduction des
consommations d'énergie ainsi que la réduction de l'émission de CO2 dans l'environnement.
Le principe de fonctionnement est le suivant : les matériaux à changement de phase fondent et
absorbent l’énergie thermique excédentaire lorsque la température de l’air dans l'enveloppe du
bâtiment dépasse leur température de fusion (le jour). Ce changement de phase permet de
refroidir l’air concerné. La nuit, l’air extérieur au bâtiment entraine le refroidissement et la
solidification du MCP.
Le niveau du rayonnement sur un mur est sensiblement plus élevé dans une direction
et moindre dans l’autre. Donc l’efficacité de leur protection dépend de leur orientation.
L’objectif de ce travail est d’étudier le comportement thermique d'une paroi en plâtre
contenant trois types différents de MCPs avec des concentrations variables pour mettre en
évidence l’importance de la quantité et la qualité de MCP et la détermination de la
concentration optimale de l'isolation pour différentes orientations de mur sous les conditions
climatiques de la ville de Ouargla. Pour atteindre notre objectif, on a subdivisé le travail en
cinq chapitres.
Le premier chapitre évoquera une revue bibliographique de la littérature des
différentes recherches scientifiques menées à travers le monde par bon nombre de chercheurs
sur l’impact de MCP comme système de rafraîchissement et de chauffage passif des
bâtiments. Ainsi que d'autre application du MCP dans différent domaine.
Dans le deuxième chapitre, on présente la consommation d’énergie et le confort
thermique dans les habitats ainsi que les différentes stratégies d’adaptation climatique des
architectures.
Le troisième chapitre traite le stockage par la chaleur latente (par les matériaux à
changement de phase) et les différentes classes des MCP. On présente également leurs
applications en insistant sur celles concernant le bâtiment.
Introduction générale
3
Dans le quatrième chapitre, on présente les méthodes théoriques permettant de calculer
les rayonnements solaires (diffus, directs et globaux) qu'arrive sur la paroi. Ainsi que les
méthodes de résolution de l’équation de conduction de la chaleur dans un matériau qui change
d’état. Les équations nécessitant la connaissance des propriétés physiques, la détermination de
ces dernières par le calcul est également présentée.
Le chapitre cinq est consacré à la simulation numérique du comportement thermique
des parois à l’aide du logiciel Matlab. Ce chapitre est divisé en deux parties. La première
partie comprend le choix du matériau à changement de phase. Dans la deuxième partie nous
procédons à la détermination de la concentration optimale de l'isolation pour différentes
orientations de mur sous les conditions climatiques de la ville de Ouargla. Il regroupe aussi les
résultats numériques ainsi que des interprétations et des commentaires.
Enfin nous concluons en synthétisant nos résultats et en indiquant quelques directions
de recherche future.
Chapitre I: Etude bibliographique
4
Les Matériaux à Changement de Phase, sont des matériaux intelligents qui reposent
sur l'application d'un principe physique simple : ils se liquéfient en absorbant de l'énergie à
partir d'une certaine température caractéristique pour chaque type de matériau (en général
fixée par leur formulation) et restituent cette énergie lorsque la température de leur
environnement est inférieure à celle-ci.
En raison de la bonne capacité de stockage d'énergie avec la grande chaleur latente, le
matériau à changement de phase (MCP) peut être appliqué dans différents domaines : comme
stockage d'énergie solaire, pour améliorer le confort thermique dans les bâtiments.
L'utilisation des MCP pour augmenter l'inertie thermique des bâtiments est une idée
relativement ancienne puisque cette application apparaît dès 1940. Dans les années 1940,
Telkes a étudié l'utilisation de sulfate de sodium déca hydrate (Na2SO4.10H2O) pour stocker
l'énergie solaire et utilisé pour le chauffage des locaux pendant la nuit et les jours nuageux.
Ses travaux n'ont pas suscité au début beaucoup d'intérêts et ce jusqu'à la crise énergétique de
la fin des années 1970 et le début des années 80 [1].
Les premiers systèmes utilisés sont les systèmes passifs où les matériaux à
changement de phase sont incorporés dans les matériaux du bâtiment.
L'utilisation des matériaux à changement de phase dans le bâtiment fait l'objet d'études
très poussées pour les constructeurs de bâtiments afin de limiter les consommations d'énergie.
Les premiers panneaux de construction de bâtiment contenant les matériaux à changement de
phase sont réalisés au Mexique par Wright et Balcomb. Ils fabriquent des maisons « passives
» avec des systèmes dits à gains direct (matériaux de construction intégrant des paraffines
dans les bétons) dans les années 1970 [3].
Dans la même année, en France, on réalise le premier panneau plâtre-paraffine pour
améliorer l'inertie des parois minces. Cependant l’inflammabilité et le suintement de cette
paraffine sur ces deux matériaux ralentit le développement de l’intégration des MCP dans le
secteur du bâtiment.
La mise en place de la technique de « micro-encapsulation » qui élimine ces deux
problèmes relance le regain de ces matériaux pour le bâtiment à partir des années 2000 [4].
Beaucoup de chercheurs ont étudié la performance thermique de paroi avec MCP
(plancher, plafond et mur vertical) par des expériences et simulations pour les constructeurs
Chapitre I: Etude bibliographique
5
de bâtiments afin de limiter les consommations d'énergie dans les bâtiments et réaliser le
confort thermique.
Dans ce qui suit, on présentera quelque travaux liés aux objectifs de la présente étude,
et qui concernent le comportement thermique dans une paroi intègre du MCP.
Athienitis et al. [4] ont réalisé une étude expérimentale et simulation numérique sur une
cellule test. Les murs avaient du côté intérieur un panneau de plâtre contenant environ 25 %
en masse d’un MCP (Stéarate de Butyle). Ils ont montré que l’utilisation du MCP pouvait
conduire à une réduction de 4 °C de la température intérieure.
Shilei et al. [5] ont conduit une étude comparative entre pièce ordinaire sans MCP et
avec MCP. Le MCP fabriqué par imprégnation d’un mélange acide caprique et acide laurique
(acide gras) (82:18%), les températures de fusion de ces matériaux sont respectivement
19,138°C et 20,394°C. Ils ont observé que la salle qui intègre le MCP donne une bonne
performance en termes de maintien de la chaleur et le confort thermique pendant l'hiver. Les
effets de perte de chaleur de la pièce ont été réduits au minimum en hiver. En outre, le taux de
consommation d'énergie électriques pour le chauffage était réduit sensiblement.
Ceron et al. [6], ont également réalisés des tuiles incorporées avec MCP pour stabiliser
la température de l'air d'intérieur en hiver (figure I.1). Les MCP absorberaient l'énergie
calorifique du soleil pendant la journée et les stockeraient en tant que source de chaleur
potentielle pour réchauffer la maison pendant la nuit. En été comme en hiver, la température
intérieure du bâtiment avec MCP est diminuée sur un cycle journalier.
Généralement, les tuiles qui intègrent les MCP pourraient contribuer à la conservation
d'énergie globale dans les bâtiments au moyen de réchauffement/refroidissement passif.
Chapitre I: Etude bibliographique
6
Figure I.1 : Tuiles avec MCP [6]
Kondo et al. [7] ont développé un mur contenant le MCP, qu’ils ont testé et ont étudié
des cellules test. Ils ont également développé un programme de simulation pour calculer les
variations de température, en particulier la température de la surface intérieure du mur, ainsi
que la charge thermique pour étudier la possibilité de contrôler les fluctuations de
température.
Les auteurs comparent par simulation numérique, la variation de la température de la
surface intérieure en fonction du temps pour plusieurs types de mur d’épaisseurs différentes,
avec MCP, en plâtre ou en béton ordinaire. On remarque que ce sont les murs contenant le
MCP qui présentent les fluctuations de températures les plus faibles et qu’un mur avec MCP
de 24 mm d’épaisseur est comparable de point de vue thermique à un mur en béton de 160
mm d’épaisseur (figure I.2).
Figure I.2 : Schéma comparatif des inerties thermiques en fonction de l’épaisseur et la nature du matériau
Chapitre I: Etude bibliographique
7
Kissock et al. [8] ont également réalisé des cellules tests avec des parois à MCP
fabriquées par imprégnation d’un mélange d’hydrocarbure alkyle. Les cellules tests sont de
petites dimensions et les auteurs ont comparé les résultats obtenus sur deux cellules l'une sans
MCP et l'autre avec MCP. L’exemple montre l’évolution de la température intérieure dans les
deux cellules durant trois jours. Le résultat obtenu illustre parfaitement l’accroissement de la
capacité thermique apparente. Ces auteurs ont aussi développé un modèle de simulation
numérique utilisant une approche par différences finies. Dans ce modèle, le rayonnement
solaire est pris en compte et les équations aux différences finies établies pour chaque
composante du bâtiment sont combinées avec les apports d’air neuf dans les équations du
bilan d’énergie.
Borreguero et al. [9] ont réalisé une étude comparative entre l'expérimentale et la
simulation numérique sur un bloc de plâtre qui contient trois quantités différents des
matériaux de changement de phase (PCMs). L'objectif de cette étude vise à l’évaluation de
l'impact de l'isolation par les matériaux à changement de phase sur le confort thermique.
L'installation expérimentale considérée est présenté dans la figure I.3. Il s'agit d'une cavité
d'aluminium de dimension (10x6x3 cm) avec une épaisseur de 1mm, sur la quelle on dépose
une plaque de plâtre qui contient les matériaux à changement de phase. L'ensemble cavité et
plaque de plâtre sont couverts d'une couche de liège de 2cm d'épaisseur afin d'assurer une
isolation de système avec le milieu extérieur. La circulation de l'eau chaude dans la cavité est
assurée à l'aide d'une pompe hydraulique. Ce débit d'eau apporte une chaleur qui peut être
régulé avec un bain thermostatique de telle sorte que la température obtenue varie entre 18°C
et 42°C. On remarque, que la stabilité de la température de la surface intérieure est liée au
taux du MCP (l'augmentation de la quantité du MCP a un effet positif). En outre, on constate
que le bloc contenant 5% de la microcapsule permet la réduction d'épaisseur de plâtre de
8.5%, maintenant le même effet d'isolant. Ainsi, ce genre de matériau peut être employé pour
améliorer le confort, économiser l'énergie dans les bâtiments et peut même réduire le poids de
panneaux muraux.
Chapitre I: Etude bibliographique
8
Figure I.3: Schéma de l'installation pour l'étude du comportement thermique des parois [9].
Ahmad et al. [10] ont présenté une étude pour la réalisation de composants de la
structure des bâtiments incorporant des Matériaux à Changement de Phase (MCP) couplés à
un super-isolant (VIP, Vacuum Insulation Panel), pour améliorer l'inertie thermique des
parois et le confort à l'intérieur des locaux et réaliser une enveloppe légère. L'étude est divisée
en deux parties. La première partie est relative à l'étude des propriétés thermiques des parois
soit expérimentalement soit par simulation numérique. Cette partie a permis de choisir le type
de paroi ainsi que le MCP. La deuxième partie concerne l'étude de deux cellule-tests isolées
avec un VIP. Une cellule est équipée de panneaux contenant le MCP couplés avec le super
isolant. Des mesures de températures et de flux ont permis de caractériser le comportement
thermique des deux cellules pour différentes conditions climatiques. Une simulation
numérique réalisée à l'aide du logiciel TRNSYS modifié donne des résultats en bon accord
avec l'expérience. L'étude montre ainsi que telles parois permettent un stockage efficace de
l'énergie solaire entrant par les faces vitrées. En été comme en hiver, l'amplitude de la
température intérieure de la cellule avec MCP est diminuée de 20°C sur un cycle journalier.
Le MCP donc joue convenablement son rôle d'amortisseur thermique et les fluctuations des
températures intérieures sont considérablement réduites. Les panneaux définis dans cette
étude sont susceptibles de développements ultérieurs.
Chapitre I: Etude bibliographique
9
L. Royon et al. [11] ont proposés, une étude comparative du comportement thermique
d'une brique creuse et d'une brique contenant le MCP (figure I.4) à base de paraffine pour
augmenter l'inertie thermique des parois du bâtiment, simultanément. Le MCP utilisé est une
paraffine commerciale qui est en fait un mélange qui contient principalement de l'octadecane.
Une première étude expérimentale a été menée sur une brique creuse remplie de MCP et les
résultats confirment que la présence de ce matériau permet de jouer un rôle notable dans le
confort notamment en stabilisant la température du milieu dans lequel il est inséré. Une
modélisation est en cours pour évaluer les performances de ce type de briques dans d'autres
conditions. Ce type de MCP présente de bonnes dispositions pour constituer une solution
prometteuse dans le cadre de la politique environnementale liée à la réduction énergétique des
bâtiments.
Figure I.4 : Photographie d'une brique creuse (à droite) et de la brique remplie de paraffine (à
gauche) [11].
Necib et al. [12] ont étudié le comportement thermique d'une brique remplie d'un
matériau à changement de phase (MCP) pour augmenter l'inertie thermique des parois de
bâtiments. Cette étude porte sur une brique en argile de 20cm de coté dont les alvéoles
extérieures ont été remplies de paraffine et où des thermocouples ont été judicieusement
implantés. Ce montage expérimental (figure I.5) se limite ainsi à l'analyse des phénomènes de
transfert thermique à l'intérieur de la brique. L'analyse des données expérimentales a montré
que l'intégration du MCP est avantageuse pour créer un confort thermique. Les résultats de la
Chapitre I: Etude bibliographique
10
simulation montrent un fonctionnement similaire à celui révélé par les mesures de la variation
de la température dans les essais sur le montage expérimental.
Figure I.5 Principe général du fonctionnement du montage expérimental [12]
Thermocouples
Ventilateur
Refroidisseur
Thermomètre (Tamb,Vitesse)
Enceinte
Canaux rectangulaires
Circulation d’air
Brique
5
6
Vitre
Source de flux
Q5
Q6
Thermomètres
Chapitre II: Consommation d'énergie et le confort thermique
11
II.1. Introduction
La réduction des ressources en énergies fossiles, et les modifications climatiques
notables de la planète à cause l'augmentation des émissions de gaz à effet de serre, nous
confronte à des défis sociaux, économiques, énergétiques et environnementaux. Pour
rechercher des solutions aux problèmes complexes posés, de nombreuses actions ont été
mené, qui s'inscrivent dans des politiques de développement durable, concernent le secteur de
la construction.
Le concepteur doit donc continuer à assurer l'abri et le confort de l'utilisateur, mais
devra, de plus, faire en sorte que l'impact du bâtiment sur l’environnement soit minimisé.
L'essor de l'architecture ‘solaire’ puis ‘bioclimatique’ permet à la fois la théorisation et
la concrétisation de cette réflexion dans la production normale du cadre bâti. Cette expression
vise principalement l'amélioration du confort qu'un espace bâti peut induire de manière
‘naturelle’, c'est-à-dire en minimisant le recours aux énergies non renouvelables, les effets
pervers sur le milieu naturel et les coûts d'investissement et de fonctionnement. L'intérêt du
‘bioclimatique’ va donc du plaisir d'habiter ou d'utiliser un espace à l'économie de la
construction, ce qui en fait un facteur fondamental de l'art de construire. Pour cela, il faut
veiller à préserver les ressources énergétiques conventionnelles, réduire les coûts des
investissements énergétiques, notamment en matière de chauffage et de climatisation et
réduire l'impact des énergies fossiles sur l'environnement [13].
Dans ce chapitre, nous traiterons la consommation d'énergie et le confort thermique
dans les habitats ainsi que les différentes stratégies d'adaptation climatique des architectures.
II.2. Notion d'économie d'énergie
Confrontés aux deux chocs pétroliers de 1973 et 1979, la plupart des pays développés
ont engagé, dès la fin des années 1970, des actions nationales en faveur des économies
d'énergie. Dans les secteurs de l'habitat et du tertiaire, qui représentent près de 40 % des
consommations d'énergie, l'effort a été mené dans deux directions [14]:
-la construction neuve ;
-les bâtiments existants.
Chapitre II: Consommation d'énergie et le confort thermique
12
Contrairement au cas des bâtiments neufs, pour lesquels des réglementations de plus
en plus exigeantes sur le plan énergétique ont été promulguées, très peu de contraintes d'ordre
réglementaire sont appliquées aux bâtiments existants.
Le souci croissant des gestionnaires de patrimoine en matière de maîtrise de leurs
dépenses de chauffage ou de climatisation a incité l'ingénierie de la thermique (bureaux
d'études et ingénieurs-conseils) à mettre au point une panoplie complète de prestations aptes à
répondre à ce type de préoccupations. Cet effort d'innovation a conduit à l’élaboration de
nombreuses méthodes.
Précisons cependant que, quelle que soit la méthode, la qualité de la prestation dépend
essentiellement des compétences du bureau d'études ou de l'ingénieur-conseil. Celles-ci
relèvent, bien sûr, des techniques du bâtiment et de la thermique scientifique, mais aussi de
l'expérience acquise empiriquement sur le terrain [14].
II.2.1. Consommation énergétique en Algérie
L'énergie est au cœur de nombreuses problématiques mondiales et locales en termes
d'approvisionnement, d'efficacité et de pollution. Les résidentiels-tertiaires ne font pas
exception à la règle puisque ce secteur est le plus gros consommateur d'énergie en Algérie
avec 39% du total, suivi du secteur des transports de 36% et ensuite le secteur industriel avec
25% (figure II.1) [2].
Figure II.1: Consommation finale par secteur d'activité en 2010 [2].
25%
36%
39%
Résidentiel-Tertiaire Transport Industrie-BTP
Chapitre II: Consommation d'énergie et le confort thermique
13
La consommation d'énergie finale par habitant est de 0.48 TEP (Tonne Equivalent
Pétrole) en 1990 son évolution passera de 0.71 TEP en 2000 à 1.35 TEP en 2010 et 1.88 TEP
en 2020 [15].
II.2.1.1. Consommation spécifique moyenne d'électricité par client basse tension
La consommation spécifique moyenne par client basse tension a connu une hausse par
rapport à 2008 pour atteindre 2623kWh en 2009 (tableau II.1). Si la consommation moyenne
des foyers Algériens a augmenté en moyenne, il est intéressant de noter que cette hausse est
tirée essentiellement par la consommation des clients du sud qui ne représentent pourtant qu'à
peine 10% du nombre total des abonnés basse tension.
Effectivement, si la consommation moyenne d'un client situé dans le grand Alger est
de 2851kWh, un abonné basse tension situé dans le sud a consommé en 2009 une moyenne de
3800kWh, en hausse de 5,2% par rapport à 2008.
Cette particularité s'explique par l’utilisation massive de la climatisation, vu la
spécificité climatique des régions sud caractérisée par des températures élevées durant
plusieurs mois de l'année. La consommation moyenne des clients de la région nord s'explique
par la densité de la population. Plus de 52% de la clientèle basse tension est située au nord du
pays.
Tableau II.1: Consommation spécifique moyenne d'électricité par client
Consommation spécifique moyenne
(kWh/Client) par région géographique
Consommation spécifique
moyenne BT
2008 2009
Nord 2545 2511
Hauts-Plateaux 2438 2463
Sud 3612 3799
Consommation spécifique moyenne (kWh/Client) 261 2623
II.2.1.2. Consommation spécifique moyenne du gaz par abonné basse pression
La consommation spécifique moyenne par client basse pression situé dans la région
des hauts-plateaux est nettement supérieure à la consommation moyenne d'un client habitant
le nord ou le sud du pays. En effet, la consommation d'un client hauts-plateaux a atteint en
Chapitre II: Consommation d'énergie et le confort thermique
14
2009 plus de 21250 thermies (tableau II.2), en évolution de 8% par rapport à 2008. Dans le
nord, un client basse pression a consommé moyennement en 2009 quelques 12100 thermies
(en évolution de 9.7% par rapport à 2008) tandis que dans le sud du pays, il aurait consommé
9646 thermies (en évolution de 8.7% par rapport à 2008) [2].
Les conditions climatiques assez rudes en hiver dans la région des hauts-plateaux
expliquent le recours de cette population au chauffer en gaz.
Comme pour électricité, la moyenne de la région nord s'explique notamment par la
densité de la population (la clientèle basse pression du nord du pays représente 47% du
nombre total d'abonnés gaz).
Tableau II.2: Consommation spécifique moyenne du gaz par foyer
Consommation spécifique moyenne
par région géographique
Consommation spécifique
moyenne BP
2008 2009
Nord 11027 12105
Hauts-Plateaux 19696 21252
Sud 8869 9646
Consommation spécifique moyenne (Th/Client) 15009 16230
II.2.2. La consommation énergétique à Ouargla
Le potentiel énergétique à Ouargla est assuré par deux réseaux. Le premier est le
réseau électrique de 2935,221 Km avec un taux moyen d’électrification de 98%. Le second
réseau est celui du gaz naturel de 819,648 Km avec un taux de branchement de 74% [16].
II.2.2.1. La consommation de l'électricité
D’après les statistiques de la société Nationale de l'électricité et du gaz unité de
Ouargla, la consommation électrique annuelle à Ouargla est en perpétuelle croissance. Les
histogrammes de la figure II.3 montrent l'évolution de la consommation annuelle passant de
193.17 GWh en 2007, arrivant à 323.72 GWh en 2011.Soit une augmentation de 215.57
GWh.
Figure II.3: Consommation d'
II.2.2.2. La consommation du gaz naturel
La consommation annuelle du gaz naturel à Ouargla
(figure II.4). Passant de 234432259 Thermie en 2008
Soit une augmentation de 87651742
Figure II.4 : Consomma
0
50
100
150
200
250
300
350
2006
Gaz (
Mth
)193
20060
50
100
150
200
250
300
350
Elec
ticité
(GW
h)
Chapitre II: Consommation d'énergie et le confort
15
Consommation d'électricité à Ouargla dans le secteur résidentiel [16].
consommation du gaz naturel
a consommation annuelle du gaz naturel à Ouargla est en perpétuelle
32259 Thermie en 2008, arrivant à 322084001
87651742 Thermie en quatre ans [16].
Consommation gazière à Ouargla dans le secteur résidentiel
234,43
322
2007 2008 2009 2010 2011Année
193.17
323
2006 2007 2008 2009 2010 2011Année
Consommation d'énergie et le confort thermique
dans le secteur résidentiel (2006-2011)
perpétuelle croissance
Thermie en 2011.
dans le secteur résidentiel (2006-2011) [16].
322,08
2011
323.72
2011
Chapitre II: Consommation d'énergie et le confort thermique
16
II.3. Le confort thermique
II.3.1. Notion de confort
La notion de confort est complexe, elle implique une interaction entre différents
éléments : « Etat plaisant d'harmonie physiologique, psychologique et physique entre un être
humain et un environnement ». La sensation de confort résulte d'échanges entre l'homme et
son environnement, mais elle est aussi fonction de paramètres subjectifs et affectifs.
Les ambiances résultent ainsi de la perception et de l'interprétation humaine de l'état
physique de l’environnement dans lequel il se trouve.
En résumé, le confort désigne à la fois un état psychophysiologique favorable à
l’épanouissement d’un être humain mais aussi un ensemble de dispositifs, d’équipements et
de commodités qui répondent à l’attente d’une population donnée. Le confort à l'intérieur des
bâtiments est la synthèse de perceptions multiples (lumineuse, thermique, olfactive, sonore)
qui répondent à la fois aux exigences physiologiques et aux aspects d'usage et de culture [17].
II.3.2. Le confort dans l'habitat
La recherche du confort dans les logements était dès lors considérée comme superflue,
les exigences se focalisant en toute logique sur la rapidité d'exécution et l'accès à des
installations sanitaires de base pour l'ensemble de la population. Le plaisir et le confort étaient
alors recherchés dans des activités connexes dites de « loisir ».
Les attentes liées au « logement » dépassent donc aujourd'hui très largement les
frontières sémantiques usuelles : « habiter » c'est beaucoup plus que se « loger ». Ce
déplacement des exigences allié à la recherche d'économies d'énergie amène les concepteurs à
penser différemment l'habitat pour plus de bien-être et moins de gaspillage. L'inconfort lié à
une chaleur excessive peut même mener à des situations dramatiques. Concevoir des
bâtiments respectueux du confort et du bien-être de chacun tout en diminuant sérieusement
l'énergie utilisée est le défi lancé à tous les acteurs de la filière de la construction. L'un des
rôles de l'habitat est de minimiser ces échanges, c'est-à-dire de protéger le corps humain
contre les agressions du climat [15].
Chapitre II: Consommation d'énergie et le confort thermique
17
II.3.3. Le confort thermique
Le concept de confort thermique peut être caractérisé, pour un individu donné, par
l'état de satisfaction avec les conditions d'environnement thermique. Cette satisfaction est
traduite par l'impossibilité pour le sujet de préciser s'il préfère un environnement plus "froid"
ou plus "chaud". Bien sûr, les gens sont différents biologiquement et physiquement, et si des
individus se trouvent soumis aux mêmes conditions thermiques, dans une même pièce, il n'est
normalement pas possible de les satisfaire tous en même temps. Toutefois, on peut créer un
climat optimal dans une pièce, c'est-à-dire des conditions dans lesquelles le pourcentage
maximal d'individus est dans un état de confort thermique [17].
Les paramètres les plus importants qui participent au bilan thermique de l'homme et
caractérisent l'état de confort thermique sont:
-Le niveau d'activité du sujet (correspondant à une production interne de chaleur dans le
corps),
-La résistance thermique des vêtements,
-La température de l'air,
- La température moyenne radiante,
-Le degré hygrométrique de l'air.
II.3.4. Le bilan thermique
Globalement, on peut écrire le bilan énergétique entre l'homme et son environnement
de la manière suivante, en comptabilisant les contributions de la production interne de la
chaleur, des échanges rayonnants, convectifs, conductifs, évaporatoires et respiratoires
(Figure II.5) [18].
= + + + + + + + II.1
Production de chaleur interne (surfacique) (W/m2) Echanges par rayonnement (W/m2)
Chapitre II: Consommation d'énergie et le confort thermique
18
Echanges par convection (W/m2) Echanges par conduction (W/m2)
Echanges par évaporation de la sueur (W/m2) Echanges par diffusion de la vapeur d'eau (W/m2) Echanges par évaporation respiratoire (W/m2) Echanges par convection respiratoire (respiration sèche) (W/m2) Stockage dans l'organisme (W/m2)
L'homme est un être homéotherme et dispose d'une stratégie métabolique efficace lui
permettant de déclencher tout un processus de régulation qui facilite son adaptation au milieu.
Figure II.5: Les échanges thermiques du corps humain [19]
II.3.5. Les échanges thermiques avec l’environnement
L'homme produit et échange de la chaleur avec son environnement. Sa production de
chaleur interne se répartit dans sa masse corporelle tandis que ses échanges thermiques
externes se font à la surface cutanée [20].
Chapitre II: Consommation d'énergie et le confort thermique
19
II.3.5.1. L'échange thermique par conduction
Il s'ajit des échanges thermiques qui ont lieu quand le corps humain en contact avec
une surfase (murs, sols, chaise, fauteuil, canapé, lit, etc.) [20], [21]. Ces échanges sont limités
en importance.
II.3.5.2. L'échange thermique par rayonnement
La température de rayonnement correspond à la température des surfaces avec
lesquelles le corps humain échange de la chaleur. Le flux radiatif dépend de la constante de
Stefan-Bolzmann, de l'émissivité des corps, des différences des puissances quatrièmes de
températures des surfaces et des facteurs de forme [22].
II.3.5.3. L'échange thermique par convection
Il s'agit des échanges de chaleur liés au mouvement de l'air autour du corps. Ils sont
d'autant plus intenses lors que la vitesse de l'air est importante et que l'écart de température
entre l'air et le corps est grand [22].
II.3.5.4. L'échange thermique par évaporation
Lorsque la température de la peau dépasse 35 °C, le corps se couvre de sueur dans le
but d'augmenter la déperdition de chaleur par évaporation rapide de l'humidité.
Ce phénomène représente 20% de l'échange du corps humain. Il peut aider à maintenir
un certain degré de confort satisfaisant dans les climats chauds et arides [23].
II.3.6. Evaluation du confort thermique
Diverses méthodes ont été entamées pour connaître les limites du confort thermique
sous forme des indices et diagrammes bioclimatiques. Parmi ces méthodes, on peut citer
quelques unes [24]:
§ méthode de la température effective.
§ méthode de la température résultante.
§ méthode de l’indice de contrainte thermique.
§ méthodes des diagrammes bioclimatiques de B.Givoni, V. Olgyay,
S.Zokolay…etc.
Chapitre II: Consommation d'énergie et le confort thermique
20
§ méthode des indices PMV et PPD
Nous essayons de présenter, ci après, quelques méthodes d'évaluation du confort
II.3.6.1. La méthode de diagramme bioclimatique de Givoni
En 1978 B. Givoni a élaboré une méthode expérimentale où il représente les limites
des ambiances confortables sur un diagramme psychrométrique (figure II.6). La zone de
confort est positionnée au centre, entre les températures 20 et 26°C. L'aire extérieure à cette
zone est subdivisée en zones secondaires, où il propose des procédures permettant de
réintégrer les conditions de confort [22].
Figure II.6: Diagramme bioclimatique de Givoni [22]
II.3.6.2. Indices de confort thermique
Le Vote Moyen Prévisible (PMV) et le Pourcentage Prévisible d'Insatisfaction (PPD)
sont des indices qui permettent de vérifier si un environnement thermique donné entraine un
confort pour un grand nombre de gens situés dans le même environnement.
La norme ISO-7730 propose les indices PMV et PPD comme moyen d'évaluer
l'environnement thermique pour divers combinaisons de l'habillement et de l'activité, avec
quatre variables d'ambiance (température de l'air, température radiante, vitesse de l'air et
humidité relative) [22].
Chapitre II: Consommation d'énergie et le confort thermique
21
II.3.7. Facteurs influant sur le confort thermique
Il existe plusieurs facteurs variables qui interviennent dans la notion de confort. Il y a
ceux qui sont relatifs à l'individu et d'autres qui sont relatifs à l'ambiance climatique
environnementale :
II.3.7.1. Facteurs liés aux conditions climatiques
II.3.7.1.1. La température de l'air intérieur et des parois (radiante)
Ces deux grandeurs sont les premières à contrôler généralement l'intervalle de confort;
elles vont de 18°C à 26°C ; cette température est appelée température de l'air ambiant [21].
La température radiante participe aussi au contrôle du confort par le fait qu'une paroi
mal isolée présente souvent une température radiante inférieure à la température sèche.
Cette différence peut générer une sensation d'inconfort, l'inertie thermique, l'isolation
et surtout la capacité thermique des matériaux sont des outils de contrôle de la température
pour l'amélioration du confort thermique.
L'intégration des matériaux à changement de phase (MCP) dans les bâtiments est un
moyen intéressant pour réduire les consommations énergétiques ou pour améliorer le confort
en été au sein des bâtiments.
II.3.7.1.2. L'humidité de l'air
L'humidité de l'air n'a pas un grand effet sur la sensation de confort thermique, si les
températures de l'air sont confortables ; Sauf si elle est extrêmement haute ou extrêmement
basse. Il est admis des variations de l'humidité relative entre 19 à 65 %.
L'humidité de l'air peut être exprimée comme sa pression de vapeur d'eau, l'humidité
de l'air à l’intérieur des bâtiments influence le corps humain de façon directe et indirecte,
pouvant provoquer l'inconfort, la sensation de chaleur et de sécheresse des muqueuses des
voies respiratoires [25].
Chapitre II: Consommation d'énergie et le confort thermique
22
II.3.7.1.3. Le vent
La vitesse de l'air influence les échanges par convection et par évaporation. En effet,
les échanges convectifs entre la surface extérieure des parois et l'air extérieur sont fonction de
la vitesse de l'air au voisinage des parois. Le taux de renouvellement de l'air dans un local
dépend lui aussi de la vitesse du vent en particulier quand une ventilation transversale est
possible. Cependant, dans ce cas, les occupants tentent de régler les ouvertures de façon à
éviter les courants d'air [25].
II.3.7.1.4. La radiation solaire
La radiation solaire influe sur le confort thermique par l'augmentation de la
température des surfaces ensoleillées.
En hiver, cette quantité de radiation solaire qui est le résultat de la radiation directe,
diffuse et réfléchie est appréciée, à l'inverse d'été, les surfaces ensoleillées présentant une
source d'inconfort par le fait de l'augmentation des températures radiantes des parois et de la
toiture. Ceci augmente par conséquence la température de l'ambiance intérieure et la rend
insupportable [15].
II.3.7.2. Facteurs liés à la conception
II.3.7.2.1. L'orientation
L'orientation d'un bâtiment est la direction vers laquelle sont tournées ses façades.
C'est -à-dire la direction perpendiculaire à l'axe des blocs.
L'orientation se rapporte à l'angle d'azimut d'une surface à Nord vrai relatif; la
direction générale dans laquelle une surface fait face. Tandis que l'orientation réelle est
habituellement donnée en degrés du nord (à partir de l'orientation nord), elles peuvent
également être données en général des directions telles que (N) du Nord, (S) du Sud, (NE) du
Nord Est, (O) de L'Ouest. Comme c'est montré dans la figure II.7.
L'orientation est la disposition d'un bâtiment ou d'un aménagement urbain par rapport
aux éléments d'un site ou au point cardinal. L'orientation d'un logement est désignée par celle
de sa face principale, c'est-à-dire en général celle qui comporte la plus grande surface de
vitrage [15].
Chapitre II: Consommation d'énergie et le confort thermique
23
L'orientation d'un habitat répond à plusieurs critères: les besoins en lumière naturelle,
l’intérêt d’utiliser le rayonnement solaire pour le chauffage, ou au contraire la nécessité de
s'en protéger pour éviter la surchauffe, la protection du vent en hiver ou en tire profit pour le
rafraîchissement d’été (les possibilités de ventilation naturelle), les vues, sont autant de
paramètres importants pour le choix de l'orientation.
Figure II.7: Exemple de surfaces pour différentes orientations à partir du Nord [15]
L’orientation des façades et des baies par rapport au soleil et au vent dominant et
l'ensoleillement est la qualité de l'exposition au soleil. Conduit à choisir une disposition en
fonction de données climatiques.
Dans le climat méditerranéen, où le soleil est souvent présent dans le ciel, c'est
l'orientation qui définit la quantité d'énergie solaire incidente sur une paroi verticale, et cette
quantité d'énergie est la principale cause de l'exigence de protection solaire. Selon une étude
menée par le groupe ABC de Marseille et à partir des deux critères [15] :
- Quantité d'énergie solaire incidente sur la paroi,
- Concomitance des moments où l'énergie incidente et la température d'air sont maximales,
Il est possible de répartir les orientations sur un cercle en quatre classes: Nord, Est,
Sud et Ouest, comme le montre la figure II.8 :
Chapitre II: Consommation d'énergie et le confort thermique
24
Figure II.8 : Classes d'orientations pour le climat méditerranéen en été [15]
L'azimut de la paroi verticale suivant l'orientation est déterminée suivant la figure II.9,
l'azimut égale à 0° pour l’orientation Sud, elle est négative à l'Est et positif à l'Ouest.
Figure II.9 : Azimut de la paroi verticale suivant l'orientation [15]
II.3.7.2.2. Morphologie de l'habitat
Du point de vue de la consommation d'énergie, la forme optimale pour une
construction est celle qui permet un minimum de gains solaires en été et un maximum gain
solaire en hiver. A ce titre, il faut souligner les performances thermiques indéniables que
représentent la construction de forme compacte (elle présente un volume donné, un ratio de
surface à volume réduit) et donc un minimum d'échange thermique. Les déperditions
thermiques du logement se font par le renouvellement d'air et par l'enveloppe. Une forme
Chapitre II: Consommation d'énergie et le confort thermique
25
"compacte" est plus économe en énergie qu'une forme "éclatée", puisque les déperditions sont
proportionnelles à la surface d'échange entre l'intérieur chauffé et l'extérieur froid.
Le "coefficient de forme" est le rapport entre la surface de l'enveloppe et le volume
habitable [15].
= / II.2
Où
Surface de l'enveloppe (m2) Volume habitable (m3) Coefficient de forme (m-1)
II.3.7.2.3. L'albédo
"Albédo" ou réflectivité est le ratio de la quantité de lumière réfléchies d'un matériau
par rapport à la quantité de lumière luisante sur le matériau [25].
Les surfaces de la paroi présentent des résistances superficielles en fonction des
propriétés de convection. Outre la qualité intrinsèque de ses surfaces, les couleurs externes
jouent un rôle significatif dans la modification du climat intérieur. Etant donné qu'il y a un
effet sur la température externe de la surface, le choix de la couleur est très important pour la
conception thermique.
En effet, la couleur extérieure a une influence sur la partie du rayonnement solaire
incident absorbée par la paroi. La grandeur agissante est le facteur d'absorption (α). La valeur
de α, qui varie de 0 à 1, dépend de la couleur, selon une règle simple : plus la couleur est «
sombre », plus est proche de 0,9. Une couleur claire correspond à un a égal au mieux à 0,20
(figure II.10). Lorsque par exemple, la surface extérieure est peinte en blanc, l'absorption est
basse et la réflexion est élevée [24].
Chapitre II: Consommation d'énergie et le confort thermique
26
Figure II.10: Coefficients d’absorption pour différents matériaux et différentes couleurs [24].
II.3.7.2.4. Microclimat
Créer un microclimat autour des habitations permet d'éviter les températures extrêmes
aux abords et dans ces habitations. Planter des arbres à feuilles caduques proches des façades
permet ainsi de créer un ombrage l'été. La présence d'eau en mouvement participe à créer une
ambiance fraîche et saine [23].
Figure II.11: Eau et plantation complètent la conception de l’édifice [21], [24].
Chapitre II: Consommation d'énergie et le confort thermique
27
II.3.7.2.5. La ventilation
La ventilation, en plus de renouveler l'air vicié par de l'air frais et sain, elle participe
au confort thermique du corps en lui prélevant de la chaleur, par convection et évaporation de
sueur. Aussi, permet-elle le refroidissement de la masse interne des bâtiments dans certaines
conditions.
Le refroidissement de la masse interne intéresse les climats à forte amplitude
journalière (Sahara) où, seule, une ventilation nocturne, durant les heures fraîches, peut
participer au confort thermique, ainsi qu'au refroidissement des structures internes des
bâtiments. Ce type de ventilation est associé à une très forte inertie des bâtiments pour les
climats chauds et secs. Il faut donc, ventiler dès que l'air extérieur est plus frais que l'air
intérieur, afin de prélever des calories aux murs et aux masses thermiques en général.
Condition à satisfaire, cependant, les ouvertures doivent se faire face de sorte que le courant
d'air ne soit pas gêné dans sa circulation.
Il va de soi que ces divers procédés ont été décomposés pour faciliter leur description,
en fait, ils sont souvent, combinés entre eux. Ainsi, dans une maison, l'air des patios rafraîchi
à l'eau et par la végétation pénètre dans les pièces de séjour orientées au Nord où des bassins
le refroidissent plus. L'air chaud est alors repoussé en haut des pièces et s'échappe par des
ouvertures situées dans la partie haute. Des variantes de ce circuit existent avec le concours de
capteurs ou de tours à vent |26].
II.3.7.2.6. Lumière
Laisser largement entrer la lumière du jour pour favoriser l’éclairage naturel, en
veillant aux risques d'éblouissement ou de surchauffe [26].
II.3.7.2.7. L'isolation thermique
L'isolation thermique introduite par les différents éléments de l'enveloppe de bâtiment
constitue un important critère de performance énergétique. Elle permet de réduire les
déperditions de chaleur, de réaliser des économies de chauffage, de limiter les émissions de
gaz à effet de serre et de bénéficier d’un meilleur confort de vie.
Dés que deux éléments en contact possèdent des températures différentes, il se produit
un échange de chaleur entre eux jusqu'à ce que leurs températures deviennent identiques. Le
Chapitre II: Consommation d'énergie et le confort thermique
28
but de l'isolation est de freiner cet échange thermique et de permettre ainsi de garder les parois
de l'habitation à une température la plus proche possible de celle de l'air intérieur.
La répartition des déperditions dans une habitation non isolée est illustrée par la figure
II.12
Figure II.12: Répartition des déperditions thermiques dans une habitation [27]
On compte approximativement des valeurs de déperditions thermiques l’ordre de :
- Toits : 30 %,
- Murs : 25 %,
- Renouvellement d’air : 20 %,
- Portes fenêtres : 13 %,
- Sols : 7 %,
- Ponts thermiques : 5 %.
Une grande partie de déperdition de chaleur se faisant par les toits et les murs, par
conséquent une bonne isolation thermique des parois permet de réduire les consommations
énergétiques dans les bâtiments de plus de 60% [27].
Les matériaux à changement de phase sont des matériaux intelligents apparus sur le
marché de la construction dans un premier temps pour réduire les besoins en climatisation
Chapitre II: Consommation d'énergie et le confort thermique
29
durant les périodes chaudes. Les MCP s’avèrent capables d’améliorer les performances
énergétiques de l’enveloppe tout en augmentant l’inertie thermique.
II.4. Conclusion
L'ambiance thermique dans les bâtiments est un facteur important pour le confort des
occupants. Actuellement, la prise en compte du confort thermique dans les bâtiments se fait
avec des méthodes et des outils élaborés à partir d'approches statiques, simplifiant la
complexité des phénomènes interactifs.
Ainsi, les exigences constructives favorisent le surdimensionnement des équipements
de contrôle et de régulation des ambiances thermiques (systèmes de chauffage et de
climatisation), principales sources de consommation d'énergie et d'émission de gaz à effet de
serre, dans le bâtiment.
L'enveloppe est, naturellement, le lieu privilégié des relations entre espaces intérieurs
et extérieurs. Il s'agit alors, de gérer simultanément le rôle que joue la paroi du bâtiment et
celui qu'elle assure comme élément de contrôle des échanges intérieurs/extérieurs. Par
conséquent, ce qui est à retenir de ce chapitre, est que beaucoup de facteurs peuvent affecter
l'environnement intérieur, tels que les sources de chaleur et d'humidité, la conception
thermique de la structure, l'effet d'autres bâtiments, l'élément végétal… etc. dont il faut
prendre en considération. De ce fait, pour une conservation d'énergie, une protection optimale
de l'environnement et un confort maximum, il est essentiel de bien maîtriser ces paramètres.
Chapitre III: Généralités sur les matériaux à changement de phase
30
III.1. Introduction
L'augmentation de la demande mondiale en énergie, la raréfaction des ressources
énergétiques fossiles et le changement climatique amorcé au cours des dernières décennies
sont des réalités indéniables. Dans ce contexte énergétique, la mise en œuvre de mesures
concrètes en faveur d'une plus grande sobriété énergétique de nos sociétés devient urgente.
Dans la transition énergétique à opérer, le secteur résidentiel occupe une place de choix.
L'amélioration de l'isolation du bâti et le développement des énergies renouvelables dans
l'habitat constituent en effet des champs d'actions privilégiés pour la réduction des gaz à effet
de serre et la recherche d'une meilleure efficacité énergétique.
Qu'il s'agisse de contrôler les flux des énergies renouvelables intermittentes ou de
récupérer la chaleur contenue dans les rejets industriels, le stockage de l'énergie apparaît
comme un procédé prometteur pour l'avènement d'une énergie bas carbone. En particulier, le
stockage de chaleur, sur une journée ou sur plusieurs mois, est une solution particulièrement
intéressante pour la valorisation de l'énergie solaire thermique dans le bâtiment.
Quatre modes de stockages sont recensés : le stockage à chaleur sensible, basé sur le
changement de température d'un matériau, le stockage thermochimique, reposant sur le
phénomène de sorption d'un fluide, le stockage chimique proprement dit, exploitant la chaleur
d'une réaction chimique et le stockage à de chaleur latente, exploitant la chaleur de
changement de phase d'un matériau.
De plus, le stockage d'énergie dans le bâtiment peut contribuer efficacement à
améliorer le confort des occupants quand il est installé dans l'enveloppe (inertie des murs,
dalles …etc.).
Pour avoir des ordres de grandeur, le stockage par la chaleur sensible, le stockage
thermochimique et le stockage chimique sera décrit succinctement puis on donnera quelques
généralités sur le stockage par la chaleur latente.
III.2. Le stockage d'énergie
Le stockage de la chaleur a toujours été un problème important. Nous sommes en
présence d'un décalage entre les apports de chaleur et les besoins (jour/nuit, été/hiver).
Chapitre III: Généralités sur les matériaux à changement de phase
31
III.2.1. Le stockage thermochimique
Le stockage de chaleur par sorption est souvent désigné par le terme "stockage
thermochimique". Par sorption d'un fluide (le sorbat), le plus souvent gazeux, tel que l'eau,
l'ammoniac ou le dioxyde carbone, il y a production de chaleur par le système ; inversement,
le matériau de sorption (le sorbant) est capable de stocker de la chaleur par désorption du
fluide. On distingue deux types de sorption selon la nature des liaisons [28] :
§ L'adsorption physique, ou physisorption, qui implique des forces de Van der Waals
ou des liaisons hydrogène (faibles)
§ L'adsorption chimique, ou chimisorption, qui met en jeu des liaisons de valence, plus
fortes, et donne naissance à un nouveau composé chimique.
En règle générale, la chaleur de physisorption est de l'ordre de l'enthalpie de condensation
du composé gazeux. La chaleur de sorption est généralement plus élevée dans les systèmes à
chimisorption, mais dans la plupart des cas le mécanisme n'est pas parfaitement réversible.
Selon la nature du matériau sorbant, les systèmes à adsorption peuvent être divisés en
deux autres catégories :
§ le terme d'adsorption est employé lorsque le matériau sorbant est solide
§ le terme d'absorption est quant à lui réservé aux systèmes à sorbant liquide.
Les systèmes à adsorption physique sur un matériau solide sont les plus répandus dans le
domaine du stockage thermochimique. Toutefois, quelques systèmes de stockage à
absorption, impliquant une solution, à l'étude, notamment :
§ le couple bromure de lithium / eau (LiBr/H2O), étudié au LOCIE (Laboratoire
Optimisation de la Conception et Ingénierie de l'Environnement) ; pour une
température d'évaporation de 5 à 10°C, des travaux de simulations montrent que la
chaleur peut être produite à 25- 33°C en hiver avec une densité énergétique de 180 et
310 kWh/m3 de solution diluée [28].
§ le couple soude caustique / eau (NaOH/H2O), expérimenté à l'EMPA (Swiss Federal
Laboratories for Materials Testing and Research) ; 5 à 7 m3 permettraient d'atteindre
une fraction solaire de 100% en maison solaire passive équipée d'un système de
chauffage à basse température [29].
Chapitre III: Généralités sur les matériaux à changement de phase
32
III.2.2. Le stockage chimique
L'énergie chimique est la chaleur absorbée ou libérée au cours d'une réaction chimique
endothermique ou exothermique. Le stockage chimique est basé sur l'énergie des liaisons des
composés chimiques mise en jeu au cours des réactions chimiques réversibles. Dans ce
système, la capacité de stockage de chaleur est généralement élevée parce qu'une énergie
chimique élevée se produit au cours de la rupture et de la recombinaison des liaisons
moléculaires dans une réaction chimique réversible. Le stockage chimique peut être effectué à
l'aide de caloduc chimique ou d'une pompe à chaleur chimique. Ce système est plus
compliqué que le stockage de la chaleur sensible et latente. Pour ce système, la réaction
chimique doit être réversible et les composés chimiques utilisés doivent être inoffensifs et non
corrosifs [30].
III.2.3. Le stockage par chaleur sensible
Le stockage en chaleur sensible consiste à accumuler de l'énergie thermique dans un
corps par accroissement de sa température sans changement d'état. La quantité d'énergie
stockée est alors directement proportionnelle à la variation de température et à la quantité de
matière concernée. Le coefficient de proportionnalité est la capacité calorifique en (J/kg
K).
A pression constante, si l'on réchauffe un corps (généralement liquide ou solide) de
masse et de capacité thermique massique ( ) de la température initiale à la
température on peut stocker une énergie donnée par sa variation d'enthalpie:
− = ∫ III.1
En supposant ( ) = on obtient la relation suivante :
− = ∆ III.2
Ce mode de stockage est le moyen le plus ancien, le plus simple et le moins onéreux
d'emmagasiner de l'énergie. Cependant, la faible densité de stockage de ce type de système est
un inconvénient majeur.
Il est donc utile d'utiliser des matériaux à forte capacité thermique qui emmagasineront un
maximum d'énergie. Mais ces matériaux doivent avoir d'autres propriétés comme une stabilité
Chapitre III: Généralités sur les matériaux à changement de phase
33
à long terme lors de l'imposition de cycles thermiques, la comptabilité avec le récipient de
stockage et également un coût raisonnable.
Le classement du type de stockage par chaleur sensible dépend du milieu de stockage, en
particulier de son état physique. On définira ainsi [31], [32]:
-le stockage par un fluide (l'eau, l'huile, des sels fondus, huiles synthétiques, vapeur d'eau
sous pression, sels fondus sans changement de phase, etc.).
-le stockage par un solide (pierre, métaux, céramiques, béton, etc.).
Certaines propriétés des substances utilisées comme matériau de stockage de chaleur
sensible sont données dans le tableau (III.1).
Tableau III.1: Propriétés des matériaux de stockage de chaleur sensible à 20 °C [30].
Matériaux Densité (kg/m3) Chaleur spécifique
(J/kg K)
Capacité thermique
Volumétrique (J/m3 K)
Argile 1458 879 1.28
Briques 1800 837 1.51
Grés 2200 712 1.57
bois 700 2390 1.67
Bêton 2000 880 1.76
Verre 2710 837 2.27
Aluminium 2710 896 2.43
ferre 7900 452 3.57
Acier 7840 465 3.68
Eau 988 4182 4.17
III.2.4. Le stockage par chaleur latente
Le stockage par chaleur latente consiste à exploiter la quantité d'énergie engagée lors
du changement d'état d'un corps. La règle des phases implique qu'à pression atmosphérique et
pour un corps pur, ce changement d'état se produit à température constante.
Supposons que ce corps soit à un solide pur, de masse ayant une température de
fusion telle que < < . L'énergie stockée serait donnée, à pression constante, par
la variation d'enthalpie suivante
Chapitre III: Généralités sur les matériaux à changement de phase
34
− = ∫ ( ) + + ∫ ( ) III.3
Avec ( ) et ( ): Capacités thermiques massiques respectivement solide et
liquide du corps considéré (J/kg. K).
En supposant ( ) et ( ) constantes nous obtenons :
− = ( − ) + + ( − ) III.4
Les principales différences entre les deux modes de stockage (stockage par chaleur
latente et le stockage par chaleur sensible) tiennent au caractère isotherme et aux très fortes
capacités de stockage du latent devant le sensible (figure III.1). Par exemple, il faut 80 fois
plus d'énergie pour faire fondre de la glace que d'élever la température de l'eau de 1°C [33].
Figure III.1: Evolution de la température d'un corps pur homogène avec changement d'état
[8]
On remarque donc que :
(i) - La chaleur latente est beaucoup plus importante que la chaleur sensible (pour un écart de
température pas trop important).
(ii) - Les points de fusion dépendent des corps utilisés; ce critère permet d'utiliser des
matériaux différents en fonction des températures souhaitées. Ces matériaux sont les
Matériaux à Changement de Phase (MCP).
Sensible
Solide
Liquide
Latente
Fusion
Solidification
Sensible
1
2
Chapitre III: Généralités sur les matériaux à changement de phase
35
III.2.4.1. Les contraintes technologiques du stockage par chaleur latente
Le stockage par chaleur latente utilise l'enthalpie de changement d'état pendant la
fusion ou la solidification du milieu utilisé, mais il peut utiliser également la chaleur sensible
nécessaire pour chauffer le solide jusqu’à son point de fusion. Il faut donc [10] :
§ que le système de stockage supporte le changement de phase dans les limites des
températures demandées pour ce changement,
§ que le système de stockage supporte le changement de phase avec le changement de
volume qui lui est lié,
§ un conteneur capable de stocker les matériaux suivant leur nature,
§ une surface d'échange pour transférer l'énergie thermique entre la source de chaleur et
le matériau à changement de phase.
III.2.4.2. Les avantages du stockage par chaleur latente
Par rapport au stockage par chaleur sensible, les principaux avantages du stockage par
chaleur latente peuvent être résumés ainsi [10]:
§ Les matériaux utilisés, dans la gamme des températures de confort thermique du
bâtiment (20 à 30°C), peuvent stocker de 5 à 14 fois plus de chaleur que les matériaux
de stockage à chaleur sensible.
§ Quand la décharge d'énergie thermique a lieu, la température de la surface de MCP
reste proche de la valeur de la température de changement d'état. On a donc un
contrôle passif de la température de la surface. La quantité d'énergie de la décharge ne
dépend donc que de la température de l'environnement.
§ Le stockage par chaleur latente ne pose pas de problème de surchauffe saisonnière
grâce à sa faible masse.
III.3. Les Matériaux à Changement de Phase (MCP)
Les matériaux à changement de phase (MCP) ont pour particularité de pouvoir stocker
de l'énergie sous forme de chaleur latente. Le stockage de chaleur latent de MCP peut être
réalisé par le changement solide-solide, de solide-liquide, de solide-gaz et de phase de liquide-
gaz. Cependant, le seul changement de phase utilisé pour des MCP est le changement de
solide-liquide. Les changements de phase de Liquide-gaz ne sont pas pratiques pour l'usage en
tant que stockage thermique dû aux grands volumes ou pressions exigés pour stocker les
Chapitre III: Généralités sur les matériaux à changement de phase
36
matériaux dans leur phase gazeuse. Les transitions de Liquide-gaz ont une chaleur plus élevée
de transformation que des transitions de solide-liquide. Les changements solides-solides de
phase sont en général très lents et ont plutôt une basse température de transformation [34].
Le tableau qui suit résume les avantages et les inconvénients des types de changement
de phase.
Tableau III.2: Avantages et inconvénients comparés des différents changements d'état [8].
Changement de phase Avantages Inconvénients
Liquide/Gaz Grande valeur de la chaleur
latente
Grand changement de volume
Solide/Solide Faible changement de volume
Pas de formation de fluide
Faible valeur de la chaleur
latente
Solide/Liquide Faible changement de volume Valeur moyenne de la chaleur
latente
Solide/Gaz Grande valeur de la chaleur
latente
Grand changement de volume
III.4. Les matériaux à changement phase couramment utilisés
Les corps avec changement d'état solide/liquide couramment utilisés dans la gamme
de températures considérée peuvent entre classés selon trois catégories (figure III.2) [35],
[36], [37], [38]:
§ Inorganique (hydrates salins, métaux)
§ Organique (paraffines, corps non-paraffiniques)
§ Eutectique (mélanges de deux ou plusieurs corps qui ont des températures de
fusion précises) de corps inorganiques et/ou organiques.
Chapitre III: Généralités sur les matériaux à changement de phase
37
Figure III.2. Classification des matériaux de stockage de l'énergie [35], [36]
III.4.1. Les MCP inorganiques
Les matériaux ou les substances inorganiques ont une température ou une plage de
températures de fusion comprise entre -100 °C et +1000°C. Les plus utilisés sont : l'eau
(température de fusion 0°C), les solutions aqueuses de sel (température de fusion inférieure à
0°C), des sels hydratés (température de fusion comprise entre 5°C et 130°C), des mélanges de
sels, des mélanges de métaux (température de fusion supérieur à 150°C). Ils ont plusieurs
avantages : ils ont une chaleur latente importante et une haute conductivité thermique. Ils ont
une fusion nette (c'est-à-dire une plage de fusion étroite). Ils sont non-inflammables et ils ont
un coût d'investissement abordable. Ils sont en général facilement disponibles. Les problèmes
majeurs rencontrés lors de leurs utilisations sont en rapport avec la ségrégation, la corrosion et
la surfusion nécessitant ainsi l'utilisation d'agent de nucléation afin d'être fiables [37].
Stockage d'énergie thermique
Stockage thermochimique
Stockage chimique Stockage par chaleur sensible
Stockage par chaleur latente
Solide-Gaz Gaz-Liquide
Solide-Liquide Solide-Solide
Organique Inorganique Eutectique
Organique-Organique
Inorganique-Organique
Composés paraffiniques
Composés non-paraffiniques
Hydrates salins
Métaux
Inorganique-Inorganique
Chapitre III: Généralités sur les matériaux à changement de phase
38
III.4.2. Les MCP organiques
Les matériaux ou les substances organiques ont une température ou une plage de
température comprise entre 0 et 150 °C. Les plus utilisés sont essentiellement à base de
paraffine, des acides gras et des alcools de sucre. Ils comportent certains inconvénients,
comparés aux avantages des MCP inorganiques : ils ont une plus faible conductivité à l'état
solide et à l'état liquide, ils ont une chaleur latente de fusion plus faible, ils sont inflammables.
Par contre, ils ont des avantages majeurs ; ils sont disponibles dans une large gamme de
températures et sont compatibles avec les matériaux conventionnels de construction, ils sont
chimiquement et thermiquement stables et ne nécessitent pas l'utilisation d'agents de
nucléation. Ils sont non corrosif et non réactifs la plus part du temps et ils sont recyclables
[37].
III.4.3. Les MCP eutectiques
Les MCP eutectiques sont des substances composées de plusieurs MCP purs. En
général, ce sont des mélanges de MCP organiques et inorganiques (organique-organique,
organique-inorganique et inorganique-inorganique). Ils ont deux principaux avantages ; ils ont
un point de fusion net similaire à une substance pure et leurs chaleurs latentes volumétriques
sont légèrement supérieures à celle des composés organiques purs. Leurs deux principaux
inconvénients sont que l'on a peu de données disponibles sur les propriétés thermiques de ces
matériaux et ils sont peu utilisés au niveau des systèmes industriels [38].
Dans les bâtiments, les MCP les plus utilisés sont à base de paraffines et de sels
hydratés [37].
Les paraffines sont en général des molécules linéaires d'hydrocarbures saturés
(CnH2n+2). Leurs cristallisations libèrent une grande quantité de chaleur latente. Ils sont
disponibles dans une large gamme de températures et on peut les obtenir facilement. Ils sont
chimiquement inertes et montrent peu de changements de volume sur la fusion. Ils sont
fiables, prévisibles, peu coûteux, inodores, non toxiques, non-corrosif et sans saveur. Ils
montrent quelques propriétés indésirables tel que : une faible conductivité thermique, la non
compatibilité avec les supports en plastique. Ils sont aussi modérément inflammables.
Les sels hydratés présentent un intérêt pour leur utilisation en tant que MCP. Ils sont
des composés obtenus par mélange d'un sel et d'une quantité d'eau en principe parfaitement
Chapitre III: Généralités sur les matériaux à changement de phase
39
définie. Ils ont l'avantage de posséder des grandes chaleurs latentes et des prix bas. En
revanche, leur principal défaut concerne leur tendance à la surfusion.
Le sel hydraté le plus utilisé est le sulfate sodium plus particulièrement le sel de
Glauber en forme déca hydratée (Na2SO4·10H2O). Il est très stable chimiquement. Il ne se
décompose pas même sous l'effet de la chaleur, et il ne réagit pas aux températures courantes
avec des agents oxydants ou réducteurs. A des températures élevées, il peut être réduit en
sulfure de sodium. On l'utilise pour les systèmes de stockage d'énergie dans les bâtiments à
cause de ses propriétés de solubilité inhabituelle, ainsi que de sa chaleur de cristallisation
élevée [37].
Le tableau III.4 représente certaines propriétés thermiques de certains MCP.
Tableau III.3 : Certaines propriétés thermiques de certains MCP [8], [36], [38]
Matériaux
Température
de fusion
(°C)
Enthalpie de
fusion
(kJ/kg)
MCP
Organiques
Tétradécane 5.5 226
Hexadécane 16.7 237
Stéarate de butyle 19 140
MCP
Inorganiques
KF.4H2O 18.5 231
Mn(NO3)2 .6H2O 25.8 125.9
Na2SO4.10H2O 32 251
MCP
Eutectiques
66.6%CaCl2.6H2O+33.3%MgCl2. 6H2O 25 127
48%CaCl2+4,3% NaCl+47.3%H2O 26.8 188
47%Ca(NO3)2.4H2O+53%Mg(NO3)2. 6H2O 30 136
III.5. Quelques phénomènes ayant un impact sur l'efficacité du stockage
III.5.1. La surfusion
La surfusion correspond à l'état liquide d'un corps alors que sa température est
inférieure à la température de cristallisation (figure III.3). Elle n'apparaît que pour certains
types de MCP comme les matériaux inorganiques (des sels hydratés). Les solutions pour
remédier à ce problème sont multiples |36]:
Chapitre III: Généralités sur les matériaux à changement de phase
40
§ incorporation d'additifs tensio-actifs
§ faciliter la nucléation au moyen de cristaux solides stables autour de la température
de cristallisation: ceux-ci servent de points d'accroche pour la cristallisation du
matériau
§ garder une zone froide à l'intérieur du matériau
La surfusion empêche l'utilisation de la chaleur latente de changement de phase à la
température voulue.
A l'inverse, dans certaines applications, la surfusion peut être un avantage. Par
exemple, pour le stockage à longue durée, ce phénomène permet de stocker le MCP à des
températures supérieures à la température de fusion du solide [39].
Figure III.3: Solidification présentant une surfusion
III.5.2. La surchauffe
La surchauffe d'un corps est le réchauffement de ce corps après son changement d'état
(réchauffement de la phase liquide après la fusion du corps, de la phase vapeur après la
vaporisation du corps). Si cette surchauffe s'effectue pendant une courte durée, elle n'est
considérée que comme une chaleur sensible supplémentaire stockée dans le système. Si elle
Solidification
Tem
péra
ture
Surfusion
Refroidissement du liquide
Refroidissement du liquide
Temps
Chapitre III: Généralités sur les matériaux à changement de phase
41
s'effectue pendant une longue durée, le stockage par chaleur latente perd l'essentiel de ses
avantages par rapport au stockage par chaleur sensible [36].
III.5.3. La dilatation
Pendant le changement de phase de solide à liquide, le matériau change de densité et
donc de volume. Ceci peut poser problème dans quelques applications en particulier quand on
utilise un conteneur fermé qui doit supporter l'augmentation de pression [36].
III.5.4. La corrosion
Le manque de stabilité à long terme du système MCP-container a longtemps limité
l’expansion de l’utilisation des stockages à chaleur à latente. Ce phénomène peut être dû à
deux facteurs : le manque de stabilité chimique du matériau lui-même, et/ou la corrosion entre
le MCP et le container. A ce sujet, les paraffines sont réputées pour la conservation de leurs
propriétés thermiques au fil des cycles charge/décharge. En revanche, la nature ionique des
sels hydratés cause des problèmes de corrosion avec les containers métalliques [36].
III.5.5. La ségrégation de phase
La forte densité de stockage des sels hydratés décroît généralement avec le nombre de
cycles à cause de la ségrégation de phases. Ce phénomène, lié à la formation simultanée de
l'hydrate (n− 1)H O lors de la fusion du composé n fois hydraté nH O, rend le processus
irréversible et nuit à l'efficacité du système. La ségrégation peut être réduite en ajoutant au
MCP un matériau qui empêche la chute de la phase la plus dense au fond du container, en
rendant le MCP plus visqueux. Des essais sur l'acétate de sodium trihydraté
NaCH3COO.3H2O ont montré que l'addition d'argile (20% en masse) ou d’amidon (50% en
masse) permettait de pallier cet inconvénient. Si cette addition ne modifie pas le point de
fusion du matériau, elle engendre tout de même une baisse de 20 à 35% de l'enthalpie de
fusion [40].
III.6. Critères de choix
L'ensemble des critères (ou propriétés souhaitables) qui doivent intervenir ou être
recherchés lors du choix du MCP pour une application donnée dans le bâtiment sont énumérés
dans le tableau III.3 [40], [41]:
Chapitre III: Généralités sur les matériaux à changement de phase
42
Tableau III.4: Différents critères à respecter lors du choix d'un MCP
Propriétés Critères
- Température de changement de phase adaptée aux besoins de
l'application ;
- Chaleur de fusion élevée pour assurer la compacité des
dispositifs de stockage ;
- Bonne conductivité thermique ;
- Stabilité lors de cycles de fusion/solidification ;
- Surfusion réduite.
Physiques
- Expansion volumique faible lors de la fusion afin de minimiser
les contraintes mécaniques dans le support de stockage ;
- Stabilité physico-chimique, longue durée de vie;
- Compatibilité avec les matériaux du support de stockage.
Technologiques
- Coût d'investissement réduit ;
- Disponibilité ;
- Dangerosité (toxicité, inflammabilité, etc.) réduite ;
- Recyclabilité.
Autres
III.7. Méthodes de conditionnement des MCP dans les applications de stockage
thermique
Le conditionnement des MCP repose sur plusieurs principes notamment la
compatibilité entre le matériau du réservoir de stockage et le MCP. Par ailleurs, quand le
MCP devient liquide, du fait de sa faible viscosité, le taux de fuite est fortement augmenté et
le réservoir de stockage doit assurer l'étanchéité. Enfin, le changement de phase produit une
variation de volume pouvant casser le conteneur si ce dernier ne peut pas absorber cette
modification [37]. Il existe de nombreuses techniques pour conditionner les MCP :
III.7.1. La microencapsulation
La microencapsulation regroupe l'ensemble des techniques permettant l'obtention de
particules dont la taille s'échelonne entre 10nm et 1000μm contenant une substance active
solide, liquide ou gazeuse [42].
Chapitre III: Généralités sur les matériaux à changement de phase
43
La microencapsulation est un dispositif où les MCP sont enfermés dans des coquilles
de petites tailles prenant différentes formes. L'avantage de MCP micro-encapsulés est qu'elle
offre une grande surface d'échange. D'autre part, la faible conductivité thermique n'est pas un
facteur limitant des transferts du fait des petites dimensions des microparticules. Par contre il
peut arriver que des cycles de fusion-consolidation répétés induisent l'apparition d'un
décollement entre le MCP et sa vésicule contenante, et ainsi une augmentation forte et
fortement préjudiciable de la résistance thermique vésicule-MCP. L'autre avantage de micro-
encapsulés est qu'ils sont aisés à manipuler et que leur intégration est adaptable aisément à
tout système passif tels que des matériaux de constructions de type béton, plâtre, panneau bois
reconstitué ou système actif [43].
III.7.2. La macro-encapsulation
La macro-encapsulation est un dispositif où le MCP est emballé dans des contenants
aux dimensions décimétriques à métriques (tubes, sachets, plaques, cylindres, sphères, etc.)
(figure III.4). Ces MCP macro-encapsulés peuvent être utilisés comme parties constituantes
d'échangeur de chaleur. Ces MCP macro-encapsulés sont généralement fabriqués pour chaque
application visée.
La faible conductivité thermique des MCP peut devenir dans le cas d'une macro-
encapsulation, un élément limitateur des transferts. De plus une attention particulière est à
apporter au décollement entre le MCP et son contenant qui peut apparaître après plusieurs
cycles de fusion-consolidation [36].
Chapitre III: Généralités sur les matériaux à changement de phase
44
Figure III.4: Différentes formes de la macro-encapsulation [36]
III.8. Les applications
Les matériaux à changement de phase sont utilisés dans différents domaines : le
stockage d'énergie solaire, le refroidissement des boîtes de transport de produits sensibles, les
systèmes de mémoires permanentes en informatique (conservation de l'information sans
utilisation électrique dans une transition de phase vitreuse/cristalline), les systèmes de
climatisation (liquide frigorigènes), intégration aux textiles (régulation thermique corporelle)
ainsi que dans le domaine de la construction des bâtiments où ils sont utilisés dans les
systèmes passifs et actifs [10], [43].
III.8.1. Les applications des MCP dans le bâtiment
Les MCP ont l'avantage supplémentaire de maintenir le confort thermique des
bâtiments si une température de changement de phase appropriée est choisie. Ainsi les MCP
Chapitre III: Généralités sur les matériaux à changement de phase
45
utilisés dans l'habitat auraient une durée de vie égale ou supérieure à celle des bâtiments
actuels.
L'utilisation des MCP dans les bâtiments est ancestrale. Elle a pris un regain de plus en
plus important au cours de ses dernières années du fait des éléments suivants [36] :
-La grande différence de consommation d'énergie entre les heures de pointe et les heures
creuses, pour le rafraîchissement (été) et pour le chauffage des bâtiments (hiver et saisons
intermédiaires) ;
-L'utilisation croissante de l'énergie solaire : l'énergie solaire thermique est disponible à des
moments qui ne coïncident pas nécessairement au besoin. Le stockage d'énergie thermique
devient un moyen d'adapter la production et la consommation de cette énergie thermique
solaire.
-Une volonté d'utilisation rationnelle plus efficace des unités de production de chauffage et de
refroidissement. Il s'agit ici essentiellement de ne consommer de l'énergie électrique que sur
des tranches horaires à faible coût, pour utiliser l'énergie produite sur d'autres tranches
horaires qui correspondent au besoin. L'utilisation de ces MCP en assistance au chauffage ou
au refroidissement est soit passive soit active. Concernant l'utilisation de ceux-ci en assistance
au refroidissement (rafraîchissement), une phase de régénération de MCP (solidification)
nocturne est nécessaire, afin d'assurer une capacité de stockage de chaleur diurne quotidienne
; celle-ci peut être passive ou active (renouvellement d'air nocturne par ventilation forcée.
On peut définir quatre méthodes économiques de conditionnement des MCP dans les
matériaux communs de structure des bâtiments [8].
1- Incorporation directe de MCP dans le « mélange humide » des matériaux du bâtiment.
2- Incorporation directe par absorption (imprégnation) du MCP fondu dans les matériaux
poreux du bâtiment.
3- Incorporation indirecte par encapsulation.
4- Incorporation directe de MCP dans les revêtements (plastiques ou caoutchouc).
III.8.1.1. Utilisation passive des MCP en bâtiment
Il s'agit ici de l'utilisation des MCP par intégration de ceux-ci dans les divers éléments
constituants un bâtiment : enveloppes du bâtiment, plafonds, plancher, parois, menuiseries,
mobiliers,… etc. Le stockage et le déstockage d'énergie s'effectue au gré des échanges de
Chapitre III: Généralités sur les matériaux à changement de phase
46
chaleur avec l'air intérieur du bâtiment et l'environnement (air extérieur, rayonnement solaire,
rayonnement nocturne, etc.). Ces échanges sont passifs, c'est-à-dire non actionnés par un
système mécanique, à l'exception parfois d'une ventilation nocturne forcée du bâtiment [44].
La répartition des MCP dans la paroi (figure III.5). Elle dépend des objectifs fixés
[45].
- Si l'on désire éviter les surchauffes de la surface extérieure des murs, on placera le MCP
proche de la surface extérieure. Celle la solution convient pour réduire la consommation
d'énergie de refroidissement et pour maintenir le confort thermique conditionnez à l'intérieur
du bâtiment dans les pays chauds pendant la période d'été.
- Si l'on désire réguler la température intérieure, on placera le MCP près de la surface
intérieure.
Figure III.5: La répartition (possible) des MCP dans la paroi [45].
III.8.1.2. Intégration des MCP dans l'enveloppe du bâtiment
Ce type d'intégration est la plus utilisée parmi les utilisateurs passifs des MCP dans le
bâtiment parce que la surface d'échange de chaleur est grande. Ils sont capables de combiner
les fonctions de stockeur de chaleur et élément de construction. En général, la profondeur de
l'échange de chaleur est courte. Ils sont en général installés dans les bâtiments pour contribuer
à l'amélioration du rafraîchissement des résidences. Les structures les plus fabriqués sont : les
Chapitre III: Généralités sur les matériaux à changement de phase
47
plaques de plâtres, les enduits, les murs trombes à base de MCP et les blocs de béton [40],
[46].
III.8.1.2.1. Les plaques de plâtres-MCP
Les plaques de plâtres-MCP sont constituées en général d'un matériau de construction
léger et du MCP. Les plaques de plâtres-MCP sont fabriquées en général soit par immersion
de la plaque de plâtre dans le MCP, soit par ajout du MCP lors de la fabrication de la plaque
de plâtre. Ces plaques de plâtres-MCP sont fixées sur les murs sous la forme d'un sandwich
composés d'isolant, de polystyrène et du plâtre-MCP (figure III.6) [43].
Figure III.6: Modèle de mur contenant une plaque de plâtre-MCP [43].
III.8.1.2.2. Les enduits à base de MCP
Le CSTC (Centre Scientifique et Technique de la Construction) en Belgique dans le
cadre du projet en collaboration avec trois autres centres de recherche (CRM, CENTEXBEL,
CERTECH) a mis au point un enduit contenant 30 % en masse de MCP.
Sur le plan expérimental, de nombreuses mesures ont été effectuées sur deux cellules
ayant une surface au sol de 9 m² chacune. Elles renfermaient chacune une surface vitrée de 3
m² orientée au sud. L'une d'entre elles étaient revêtue d'enduits à MCP et l'autre avec un
enduit traditionnel de même épaisseur de 1,5 cm. Les mesures de températures ont pu être
effectuées pour différentes périodes d'ensoleillement [46].
Les premiers résultats ont démontré que les écarts de température sont de l'ordre de 3
°C entre les deux cellules en ce qui concerne la face interne de l'enveloppe de la cellule. Au
niveau du climat intérieur des cellules, une différence de température de 1 °C à 1,5 °C entre
Chapitre III: Généralités sur les matériaux à changement de phase
48
les deux cellules a été mesurée pour la température maximale journalière atteinte lors des
périodes chaudes et/ou très ensoleillées d'été.
Actuellement sur le marché les enduits à base de MCP (fabriqués par Delta ®, maxit
clima, etc.), ils existent sous la forme d'un enduit prédosé « prêt-à-gâcher ». Ils sont à
appliquer sur une épaisseur d'environ 15 mm.
Une couche de 3 cm de l'enduit maxit clima correspond à la capacité thermique de 8
cm de béton, de 13 cm de plâtre ordinaire ou de 29 cm de briques creuses [46].
III.8.1.2.3. Les murs trombes à base de MCP
Les murs trombes à base MCP sont composés d'un mur de maçonnerie ordinaire
contenant des MCP espacés de 10 cm environ d'une couche de verre ou d'un vitrage en
plastique (figure III.7).
Figure III.7: Configuration d'un modèle de mur trombe MCP [40]
Différents MCP ont été expérimentés pour avoir le meilleur rendement thermique d'un
mur trombe à base de MCP : Les différents travaux de [40] ont montré que les murs trombe à
base de MCP nécessitent moins d'espace entre le mur et la couche de verre ou plastique que
les murs trombe traditionnels. Ils sont plus légers que les murs trombe traditionnels.
Chapitre III: Généralités sur les matériaux à changement de phase
49
III.8.1.2.4. Les blocs de béton-MCP
Le centre d'étude du bâtiment (université de Concordia) à Montréal au Canada a mis
au point des blocs de béton à base MCP. Ils ont utilisé différents MCP : la paraffine, stéarate
de butyle, dodecanol et polyéthylène. Au cours des différents essais sur le rendement
thermique de ces blocs de béton-MCP, il ressort que les blocs de béton-MCP à base de
paraffine ont la capacité de stockage d'énergie (par mètre carré) plus importantes que les
autres MCP expérimentés [40].
III.8.2. Autres intégrations des MCP dans le bâtiment
D'autres compartiments du bâtiment sont utilisés pour incorporer les MCP dans les
bâtiments. La plupart sont encore au stade expérimental. Les travaux les plus avancés sont
l'intégration des MCP dans les fenêtres, les rideaux de fenêtres, le plancher et le plafond [40].
III.8.2.1. Les MCP dans les fenêtres
Les travaux sur les fenêtres à base de MCP les plus connus sont ceux du cabinet
architectural Glass X fondé par Dietrich Schwarz. Il a mis au point les fenêtres Glass X. Ces
dernières sont composées de quatre éléments au sein d'un seul ensemble fonctionnel : une
isolation translucide, une protection contre les surchauffes estivales, un matériau à
changement de phase intégré dans des conteneurs hermétiquement scellés en polycarbonate
peints en gris pour favoriser l'efficacité de l'absorption. En général, c'est un MCP à base de sel
hydraté avec une température de fusion aux alentours de 27 °C qui est utilisé. Cette paroi est
scellée par un verre de sécurité trempé de 6 mm qui peut être agrémenté d'une sérigraphie
esthétique du côté intérieur (figure III.8 (a)).
Lorsque l'inclinaison du rayonnement solaire est supérieure à 40 °C (été), il y a un
réfléchissement total des rayons solaires (figure III.8 (b)) sur la fenêtre. Lorsque l'inclinaison
du rayonnement solaire est inférieure à 35 °C (hiver), les rayons solaires traversent
complètement la fenêtre (figure III.8 (c)).
La capacité de stockage de l'énergie des fenêtres Glass (X) est dix fois plus importante
que le béton ordinaire.
Chapitre III: Généralités sur les matériaux à changement de phase
50
Figure III.8: Fenêtre glass (X) fabriqué par Dietrich. (a) prototype à l'échelle1, (b) évolution
des rayons solaires estivale et (c) évolution des rayons solaires hivernale [45]
III.8.2.2. Les MCP dans les rideaux
Les rideaux à base de MCP sont aussi expérimentés pour améliorer le confort
résidentiel. Le principe de fonctionnement consiste à laisser les fenêtres ouvertes afin que les
rideaux soient exposés aux rayonnements solaires. La fusion des MCP permet de rafraîchir
l'intérieur du bâtiment. Au cours du refroidissement nocturne ou par temps nuageux, le rideau
libère la chaleur solaire emmagasinée ce qui permet aux MCP de se solidifier et la salle de se
réchauffer (figure III.9) [40].
(a) (b) (c)
Chapitre III: Généralités sur les matériaux à changement de phase
51
Figure III.9: Rideaux à MCP [40]
III.8.2.3. Les MCP dans le plafond et dans le plancher
Les produits à base de MCP installés dans les plafonds et les planchers pour améliorer
le confort du bâtiment sont en général des panneaux à base de MCP.
Différents fabricants des produits à base de MCP (Solairked, Rubitherm, Cristopia,
etc.) proposent un panel de panneaux à base de MCP.
Le panneau le plus connu est le panneau DuPont™ Energain®. Il se présente sous la
forme de panneaux avec 2 faces en aluminium dont les extrémités sont recouvertes de ruban
adhésif en aluminium (figure III.10 (a)). Le matériau central est un mélange de copolymère et
de cire de paraffine à 60 % qui confère au panneau sa fonctionnalité. Il a une chaleur latente
de stockage de 315 kJ/m² et une température de fusion de 22 °C. La dimension des panneaux
est de 1000 mm x 1198 mm avec une épaisseur de 5,26 mm. Il pèse environ 5 kg/m². Ces
plaques ont la même capacité de stockage de calories qu'un mur de béton de 5 à 7 cm. Ces
panneaux peuvent se poser au plafond (figure III.10 (b)), dans les planchers et aux murs [41].
Chapitre III: Généralités sur les matériaux à changement de phase
52
Figure III.10: Panneau à base de MCP fabriqué DuPont™ Energain®. (a) le modèle que l’on
installe au plafond et (b) un exemple de montage de ce panneau dans un plafond [41]
III.8.3. Utilisation active des MCP en bâtiment
Les systèmes actifs sont des systèmes où la circulation du fluide dans les composants
est actionné par un système mécanique (ventilateur, pompe, etc). Ce caractère actif permet
d'utiliser la capacité de stockage et/ou de déstockage d'énergie à la demande, c'est-à-dire de
façon non subie. Les systèmes actifs sont composés en général de trois éléments :
- l'échangeur de stockage de l'énergie thermique de chaleur latente : LTHES (Latent Heat
Thermale Energy Storage) contenant les MCP. C'est l'élément central du dispositif de
stockage ;
- le circuit de circulation du fluide (souvent de l'air parfois de l'eau) caloporteur ;
- un ventilateur ou une pompe qui détermine le débit de fluide dans les LTHES.
Les systèmes actifs de types échangeurs de chaleur permettent d'améliorer le confort
des bâtiments en faisant circuler de l'air frais (rafraîchissement) ou de l'air chaud (chauffage)
dans les bâtiments en fonction de la demande [41].
Chapitre III: Généralités sur les matériaux à changement de phase
53
III.9. Conclusion
L'utilisation des matériaux de changement de phase (MCP) pour le stockage d'énergie
thermique dans les bâtiments a été étudiée par beaucoup de chercheurs, donc, beaucoup de
produits sont disponibles dans la littérature et dans marché. Les problèmes techniques trouvés
dans le passé dans l'utilisation de tels matériaux ont été étudiés et différentes solutions ont été
présentées, donnant à l'utilisateur l'occasion d'être sûr que les systèmes conçus soyez réussi.
Néanmoins, la recherche est nécessaire toujours pour trouver de nouveaux matériaux plus
efficaces et meilleurs marché, et pour donner meilleurs solutions aux problèmes techniques
tels que la surfusion, la ségrégation et la compatibilité de matériaux.
Chapitre IV: Théorie de la modélisation
54
IV.1. Introduction
Ce chapitre est constitué de deux parties. Dans la première, nous procédons aux
calculs relatifs au gisement et à la captation de l'énergie solaire. Pour la deuxième partie, le
processus de solidification-fusion d'un matériau pur et d'un mélange homogène est décrit. Une
formulation mathématique du problème de changement de phase sera choisie, parmi les
techniques présentées.
IV.2. Estimation d'énergie solaire
IV.2.1. Importance et effet du rayonnement solaire en architecture
Les rapports entre l'architecture et le soleil sont quasiment passionnels. Le soleil
occupe par ses connotations culturelles et psychologiques une place très importante. « Il y a
dans l'inconscient de tout architecte, mais aussi de tout consommateur d'architecture, un
esthétisme du soleil et de sa lumière » [47].
La course du soleil dans le ciel est l'une des connaissances de base de l'architecte. Il
doit savoir repérer ou implanter un bâtiment en fonction de cette course, et par conséquent
jouer avec l'ombre et la lumière à l intérieur et à l'extérieur des espaces aménagés.
La dimension énergétique du soleil qui est souvent à l'origine des solutions
architecturales originales. Le soleil doit être connu par l'architecte pour les questions
élémentaires d'énergie, le potentiel solaire d’un site fait implicitement partie des
connaissances à assimiler dans toute étude thermique. Il est donc nécessaire de renforcer nos
connaissances sur les effets thermiques du soleil et de mettre en évidence son rapport avec le
bâti.
IV.2.2. Aperçu de la ressource
Le soleil est une sphère gazeuse composée principalement d'hydrogène et d'hélium
[48]. Son diamètre est de 1 391 000 km (100 fois celui de la Terre), sa masse est de l'ordre de
2.1027 tonnes [49].
Toute l’énergie du Soleil provient de réactions thermo-nucléaires qui s'y produisent.
Elles transforment à chaque seconde 564.106 tonnes d’hydrogène en 560.106 tonnes
d'Hélium, la différence de 4 millions de tonnes est dissipée sous forme d'énergie [49].
Chapitre IV: Théorie de la modélisation
55
La terre reçoit quotidiennement un flux important d'énergie solaire. La puissance de ce
rayonnement est fonction de plusieurs critères; conditions météorologiques, diffusion
atmosphérique (phénomènes de dispersion, de réflexion et d'absorption).
A la distance moyenne du soleil à la terre (environ 150 x 106 km), une surface normale au
rayonnement solaire (perpendiculaire à ce rayonnement) hors atmosphère reçoit environ 1367
W/m². Cet éclairement est appelée constante solaire. L'énergie reçue en fonction du jour de
l'année peut être calculée avec la formule suivante [49] :
= 1 + 0.034 cos . IV.1
Où est le numéro du jour de l'année (c.-à-d. = 1 pour le 1er janvier, = 32 pour le
1er février, etc.).
On notera que 98% du rayonnement solaire est émis dans des longueurs d'onde
inférieures à 4 μm. En première approximation, le rayonnement solaire peut être assimilé au
rayonnement d’un corps noir à une température de 5777 K.
Chapitre IV: Théorie de la modélisation
56
IV.2.3. Aspects géométriques
Nous allons nous intéresser ici aux aspects géométriques du rayonnement solaire
intercepté par la Terre dans le but ultérieur de calculer le flux reçu par un mur vertical placé à
la surface de la Terre et orienté dans une direction fixée. La connaissance de ce flux est la
base du dimensionnement de tout système solaire.
IV.2.3.1 Mouvements de la terre autour du soleil
La trajectoire de la terre autour du soleil est une ellipse dont le soleil est l’un des
foyers. Le plan de cette ellipse est appelé l’écliptique.
L’excentricité de cette ellipse est faible ce qui fait que la distance Terre/Soleil ne varie
que de ±1,7% par rapport à la distance moyenne qui est de 149 675 106 km.
La Terre tourne également sur elle-même autour d’un axe appelé l'axe des pôles. Le
plan perpendiculaire à l'axe des pôles et passant par le centre de la Terre est appelé l’équateur.
L'axe des pôles n’est pas perpendiculaire à l’écliptique : l'équateur et lécliptique font entre eux
un angle appelé inclinaison qui vaut 23°27’. Les mouvements de la Terre autour de son axe et
autour du Soleil sont schématisés sur la figure IV.2 [49].
Figure IV.2: Schématisation des mouvements de la Terre autour du Soleil [49].
Chapitre IV: Théorie de la modélisation
57
IV.2.3.2 .La position du soleil
Les ondes électromagnétiques provenant du soleil portent l'énergie, la projection de
cette énergie dépend de l'orientation de la surface réceptrice. La connaissance de la position
du soleil en fonction du temps est primordiale.
IV.2.3.3. Données astronomiques
IV.2.3.3.1. Latitude
La latitude est l'angle formé par le plan équatorial et le vecteur "centre de la terre au
point local". L'angle pour la ville de Ouargla est d'environ 31N [50].
IV.2.3.3.2. Longitude
La longitude est l'angle formé par le méridien de référence (méridien de Greenwich) et
le méridien du point local. L'angle est négatif vers l'ouest et positif vers l'est.
Pour Ouargla, la longitude est de : 5°24’E [50].
Figure IV.3. Définition des coordonnées terrestres d'un lieu donné [50].
IV.2.3.3.3. L'altitude
L'altitude d’un point correspond à la distance verticale en mètre entre ce point et une
surface de référence théorique (niveau moyen de la mer) [48].
Pour Ouargla, L’altitude est de : 141m [50].
Chapitre IV: Théorie de la modélisation
58
IV.2.3.3.4. Déclinaison δ
On appelle déclinaison δ l’angle formé par la direction du Soleil avec le plan
équatorial. Elle varie au cours de l’année entre -23,45° et +23,45°. Elle est nulle aux
équinoxes (21 mars et 21 septembre), maximale au solstice d’été (21 juin) et minimale au
solstice d’hiver (21 décembre). La valeur de la déclinaison peut être calculée par la relation
[51]:
= 23.45 sin 2 ( ) IV.2
IV.2.3.3.5. L'angle horaire
Est déterminé par la rotation régulière de la terre autour de son axe, il est directement
lié au temps solaire vrai (TSV) par la relation suivante:
= 15( − 12) IV.3
La valeur de l’angle est nulle à midi solaire, négative le matin, positive en après midi
et augmente de 15° par heure (donc un tour de 360° en 24 heures) [50].
IV.2.3.3.6. Le temps solaire vrai
Le temps mis par le soleil entre deux passages consécutifs au méridien d'un lieu
(direction Nord-Sud) a été nommé temps solaire vrai. On note, le temps solaire vrai est donc
un temps local puisqu’il est lié directement à la rotation de la terre sur elle-même [48].
= 12 + IV.4
IV.2.3.3.7. Le temps solaire moyen (TSM)
Le temps solaire moyen diffère peu du temps solaire vrai, cette différence est définie
par l'équation du temps [48]:
= − IV.5
Et étant la correction du TSV par rapport ou TSM; est exprimé en minutes et fraction
décimales de minutes [49].
Chapitre IV: Théorie de la modélisation
59
= −[0.0002 − 0.4797 cos( ̀) + 3.2265 cos(2 ̀) + 0.0903 cos(3 ̀) + 7.3509 sin( ̀) + 9.3912 sin(2 ̀) + 0.3361 sin( ̀)] IV.6
Où: ̀= 0,984
IV.2.3.3.8. Temps universel (TU)
Est le temps civil moyen du méridien de Greenwich (méridien origine) appelé encore
GMT (Greenwich Mean Time), pour un lieu situé à longitude L [48]:
= − IV.7
IV.2.3.3.9. Le temps légal (TL)
Le temps légal est le temps officiel de l'état [52]:
= − ∆ℎ IV.8 ∆ℎ Etant le décalage horaire entre le méridien de Greenwich et l'état considéré, (∆ℎ =1
heure pour l'Algérie).
IV.2.3.3.10. Hauteur de soleil ℎ
La hauteur de soleil ℎ est l'angle que fait la direction du soleil avec sa projection sur le
plan horizontal. Cet angle s’annule au lever et au coucher du soleil et prend sa valeur
maximale au midi solaire. ℎ peut être déduite par la relation suivante [50]:
sin(ℎ) = sin sin + cos cos cos IV.9
L’angle horaire ω au lever de soleil s’obtient en écrivant sin(ℎ) = 0:
cos = − tan tan IV.10
IV.2.3.3.11. Azimut du soleil
Azimut du soleil est l'angle que fait la projection de la direction du soleil avec la
direction du sud. Cet angle étant orienté positivement vers l'Ouest [50].
Chapitre IV: Théorie de la modélisation
60
sin( ) = IV.11
Ces deux angles sont représentés sur la figure IV.4.
Figure IV.4: Position du soleil [50]
IV.2.3.4. Durée d'insolation
On peut déduire les heures de lever et de coucher du soleil à partir de la hauteur
angulaire du soleil en posant sin(ℎ) = 0 (soleil à l’horizon) dans l’équation IV.9. Ce qui
donne [48]:
cos = − tan tan IV.12
Où est l’angle horaire du soleil à son lever (et, au signe près, à son coucher).
A partir de la latitude et de la déclinaison, l'heure solaire vrai du lever et du coucher de
soleil:
= 12 − ( cos(− tan ) tan( )))/15 IV.13
= 12 + ( cos(− tan ) tan( )))/15 IV.14
La durée d'insolation est obtenue à l’aide de la formule suivante [48]:
= − IV.15
Chapitre IV: Théorie de la modélisation
61
Donc
= IV.16
IV.2.3.5. Intensité du rayonnement solaire sur une paroi
Le transfert de chaleur par rayonnement s'effectue sans aucun support matériel. Mais,
une fois émis par le soleil, le rayonnement atteint la surface des corps et subit suivant leurs
caractéristiques certaines transformations. Le rayonnement en provenance du soleil et
atteignant un plan présente trois composantes [49]:
IV.2.3.5.1. Le rayonnement direct
Le rayonnement direct qui correspond au flux solaire atteignant directement la paroi
quand celle-ci est exposée au soleil. Il dépend de la hauteur du soleil et de l'angle d'exposition
de la paroi au soleil à l'instant considéré. L'inclinaison, l'orientation de la paroi et la direction
du rayon solaire permettent d'évaluer l’angle d'incidence qui caractérise l'incidence avec
lequel le rayon solaire frappe la paroi. Plus le flux est normal à la paroi, plus il est important,
plus il est rasant, plus il est faible.
Le rayonnement direct peut être nul par temps couvert ; il est calculé en fonction de la
transmittance τ de l’atmosphère [50].
IV.2.3.5.2. Le rayonnement diffus
Le rayonnement solaire diffus arrive sur le plan récepteur après avoir été réfléchi par
les nuages, les poussières, les aérosols et le sol. On suppose que le rayonnement solaire diffus
n'a pas de direction prédominante (donc isotrope). Dans ce cas, seule l'inclinaison de la paroi
pondère le flux diffus incident. Faible par ciel très pur, ce rayonnement n’est jamais nul [46].
IV.2.3.5.3. Le rayonnement réfléchi ou albédo
Le rayonnement réfléchi ou albédo représente la partie du flux interceptée par la paroi
suite aux réflexions solaires produites par l'environnement proche. En première
approximation, cet environnement proche est représenté par un plan horizontal renvoyant une
part du flux global incident (direct et diffus); la part réfléchie dépend de l'albédo, coefficient
Chapitre IV: Théorie de la modélisation
62
de réflexion solaire du plan récepteur considéré. Le flux intercepté par la paroi dépend alors
seulement de son inclinaison.
Le rayonnement global qui atteint un plan est la somme des trois rayonnements
précédemment définis [51].
IV.2.3.6. Rayonnement solaire horaire sur une surface inclinée
a) Rayonnement direct sur une surface inclinée
Le rayonnement direct sur une surface inclinée est donné par la relation suivante
[52]:
= IV.17
Avec Facture de conversion qui dépend de l'inclinaison;
b) Rayonnement solaire horaire diffus sur une surface inclinée
Qu'une surface faisant un angle avec l'horizontale regarde une portion du ciel sous
l'angle solide : et une position du sol, sous l'angle solide [52].
Si est l'albédo du sol on a donc :
= + ( + ) IV.18
Pour Ouargla, l'albédo est de : 0.35 [50].
c) Rayonnement solaire global horaire sur une surface inclinée
Le rayonnement solaire global horaire sur une surface inclinée est donné par la
relation suivante [53], [54], [55]:
= + + ( + ) IV.19
Le premier terme de l'équation représente l'ensoleillement qui arrive directement du
soleil. Le second terme représente la contribution du rayonnement diffus et dépend de
Chapitre IV: Théorie de la modélisation
63
l'inclinaison du capteur. Le dernier terme représente la réflexion du rayonnement sur le sol
face au capteur et dépend de l'inclinaison du capteur et du coefficient de réflexion de lumière
diffuse du sol .
IV.2.3.7. Rayonnement global pour un mur vertical
Le rayonnement global pour un mur vertical I est donné par la relation suivante [54]:
= . + + . /2 IV.20
Où Rayonnement direct horaire sur une surface horizontale (W/m2) Rayonnement global horaire sur une surface horizontale (W/m2) Rayonnement diffus horaire sur une surface horizontale (W/m2)
Le facture de conversion donné par :
= IV.21
Où , varie entre -180° et 180°, négatif à l'est, positif à l'ouest, par convention et vaut
0° au Sud dans l’hémisphère nord [54].
IV.3. Théorie de la solidification-fusion
Le changement de phase (solidification-fusion) d'un matériau est un phénomène très
courant dans la nature et fait l'objet de nombreuses applications industrielles.
Dans cette partie, le changement de phase n'est étudié que d'un point de vue
exclusivement thermique. Les solutions présentées sont basés uniquement sur l'équation
classique du transfert de chaleur par conduction. La solidification sera simplifiée comme étant
l'inverse de la fusion. Dans ce cas, les phénomènes plus complexes comme la cinétique de
cristallisation (régie par les phénomènes de nucléation et de croissance cristalline), la
surfusion, les réactions chimiques et le transfert de masse ne sont pas considérés.
Chapitre IV: Théorie de la modélisation
64
IV.3.1. La solidification-fusion d’un produit pur
La principale caractéristique du changement de phase d’un matériau pur est que le
dégagement (ou absorption) de la chaleur latente de transformation se passe à une température
bien précise. La figure IV.5 schématise la solidification d’une substance pure (ou quasiment
pure). Ici, on suppose que le processus de transfert de chaleur est dominé par la conduction
seulement, bien que dans certains cas les transferts convectifs et par rayonnement peuvent
jouer un rôle important. Dans cet exemple, la chaleur est évacuée lentement par la surface
d’échange. Sur cette figure, est la température de la surface d’échange < et est
la température du fluide loin de l’interface liquide-solide < . On constate que la
morphologie de l’interface solide-liquide est plane. Cette interface est le front de
solidification. Elle se déplace en fonction du temps au fur et à mesure que la phase solide
avance et est repérée par l’abscisse ( ) [56].
Figure IV.5: Solidification d’une substance pure [57].
IV.3.2. La solidification-fusion d’un mélange homogène
Dans le cas d'un mélange, le changement de phase peut avoir lieu sur un intervalle de
température où les phases liquide et solide coexistent. La chaleur latente de changement de
phase est dégagée (ou absorbée) sur cette plage de propriétés des constituants du mélange
(figure IV.6).
Surface d'échange
( ), front de solidification (ou interface solide-liquide
Extraction de chaleur
0
( , )
Solide
( , )
Liquide
→ ∞ → ∞
Chapitre IV: Théorie de la modélisation
65
La figure IV.2 représente la solidification d’un produit homogène. Le transfert de
chaleur par convection et rayonnement est supposé négligeable devant le transfert de chaleur
par conduction. Dans cet exemple, on constate la présence d’une région de mélange entre les
fronts ( ) et ( ) où les phases solide et liquide coexistent [57].
Figure IV.6: La solidification d'un produit homogène [57].
IV.3.3. Formulation mathématique et solution analytique du transfert de chaleur avec
changement de phase : application 1D
Une des formulations les plus classiques du processus de changement de phase est
celle appliquée à la solution du « problème de Stefan » [58]. Il s'agit de la solidification
unidimensionnelle d'un produit pur confiné dans un espace semi-infini 0 ≤ < ∞. La figure
IV.5 montre bien la géométrie du problème. Pour le temps ≤ 0 le produit est dans la phase
liquide et à température constante ( , 0) = > . Quand t > 0 la température de la surface
x = 0 est instantanément mise à (0, ) = < . Par conséquent, la phase solide ira se
développer à partir d’une couche adjacente à la frontière x = 0 et au fur et à mesure que le
temps augmente la phase solide avance s(t) prenant la place du liquide. Dans ce problème, les
variations de température pour les phases solide et liquide ( , ) et ( , )
respectivement, sont gouvernées par l’équation classique de conduction de chaleur donnée
par:
2( )
Surface d'échange
Extraction de chaleur
1( )
Solide Mélange ( , )
− ( , ) Liquide
1 → ∞ , → ∞
Chapitre IV: Théorie de la modélisation
66
( , ) = . . ² ( , ) ² 0 ≤ < ( ), > 0 IV.22 ( , ) = . . ² ( , ) ² ( ) ≤ , > 0 IV.23
A l'interface solide/liquide, x = s(t), le bilan d’énergie et la continuité de température
sont assurés par les équations suivantes :
. ( ) − . ( ) = . . ( ) , > 0 IV.24
[ ( )] = [ ( )] = , > 0 IV.25
En 1860, Neumann a proposé une solution analytique pour décrire la distribution
transitoire de température dans un produit pur au cours d’un changement de phase liquide
solide dans un système unidirectionnel. La solution analytique du problème décrit par les
équations (IV.22) à (IV.25) est [58] :
( , ) = ( , ) ( ) . . . . + (0, ), < ( ) IV.26 = , = ( ) IV.27
( , ) = ( , 0) − ( , ) . . . . . . ⎝⎛
. . . ⎠⎞ , > ( ) IV.28
Où erf et erfc sont la fonction erreur et la fonction erreur complémentaire, respectivement, et est une constante obtenue à partir de la solution de l’équation suivante :
( ) − . . . . ( , ) . . . . . . . . ( , ) . . . . . . = . IV.29
Où la variable adimensionnelle est appelée « nombre de Stefan ». Elle est définie par :
= ( ( , )) IV.30
Chapitre IV: Théorie de la modélisation
67
Le déplacement transitoire du front de solidification s(t) est donnée par :
( ) = 2. . . . IV.31
IV.3.4. Solutions numériques du transfert de chaleur avec changement de phase :
application 1D
Jusqu'à présent, les solutions analytiques disponibles dans la littérature pour résoudre
les problèmes de changement de phase ne répondent qu’aux cas les plus simples (géométrie
simple, conditions aux limites constantes, propriétés thermiques constantes dans chaque
phase, etc.). Quand ces solutions deviennent inutilisables, dû à la complexité des problèmes
réels, les solutions numériques viennent les remplacer. Il y a deux grandes catégories de
solutions numériques pour résoudre le problème de changement de phase [58]:
1- les solutions où la position exacte du front de changement de phase doit être connue à
chaque pas de temps et d'espace;
2- les solutions où il n'y a pas besoins de connaître la position exacte du front de transition
de phase.
1- Les solutions où la position exacte du front de changement de phase doit être connue à
chaque pas de temps :
La méthode du maillage mobile est un exemple de ce type de solution. Dans cette
méthode, le pas de temps reste fixe et le pas d’espace est recalculé à chaque itération de façon
que le front de changement de phase coïncide toujours avec un nœud du maillage. Une autre
alternative est la méthode à maillage fixe. Dans cette méthode, le pas d’espace reste fixe et le
pas de temps est recalculé à chaque itération de façon à ce que le front de transition se déplace
de nœud en nœud pour chaque pas de temps recalculé. L’inconvénient de ces solutions
numériques est qu’elles sont lourdes à mettre en œuvre les équations de transfert de chaleur
doivent être discrétisées séparément pour chaque phase et liées par la discrétisation de
l’équation du bilan d’énergie à l’interface solide-liquide. De plus ces types de solutions ne
sont applicables qu’aux cas du changement de phase de produits purs [58].
Chapitre IV: Théorie de la modélisation
68
2- Les solutions où il n’y a pas besoins de connaître la position exacte du front de
transition de phase
La méthode du Cp apparent et la méthode enthalpique [9] [58] sont quelques-uns des
exemples les plus connus pour ces types de solutions. Dans ces méthodes, le pas d'espace
reste constant au cours du temps et le front de changement de phase peut se déplacer à
l'intérieur du maillage. Dans certains cas, une connaissance approchée du déplacement du
front de transition est nécessaire afin de permettre le calcul de corrections sur pas de temps de
façon à minimiser les instabilités numériques provoquées par la discontinuité des gradients de
température (nonlinéarités) dans la région de changement de phase. L'avantage de ces
solutions numériques est qu'elles sont relativement simples.
IV.3.4.1. La méthode enthalpique
Dans les problèmes à changement de phase, la présence d’une condition limite mobile
(front de changement de phase) rend difficile la mise en œuvre d’une solution numérique du
système d’équations différentielles partielles de transfert de la chaleur (équations IV.22 à
IV.25). La formulation en variable enthalpique [58] vient surmonter ce problème car
l’enthalpie représente l’énergie totale par unité de masse dans tout le domaine étudié. Ainsi le
système représenté par les équations (IV.22 à IV.25) est réduit à une seule équation du type :
( ). = ( ). IV.32
IV.3.4.2. La méthode du Cp apparent
Ainsi comme dans le cas de la méthode enthalpique, la méthode du Cp apparent réduit
le système d'équations qui définit le processus de changement de phase en une seule équation
du type [58]:
( ). ( ). = ( ). IV.33
Où est la chaleur massique apparente. Au moment du changement de phase, le
dégagement (ou l'absorption) de la chaleur latente est prise en compte par l'augmentation
du . Les équations dans chaque zone sont définies par :
= ( ) , dans la zone solide IV.34
Chapitre IV: Théorie de la modélisation
69
= + + , dans la région mélange IV.35
= ( ), dans la zone liquide IV.36
Où et sont les capacités thermiques massiques moyennes de la phase liquide et de la phase solide respectivement.
IV.3.4.3. La méthode choisie
Pour la résolution du problème de changement de phase, la méthode enthalpique et la
méthode du apparent sont très attractives car elles présentent les avantages suivants:
-Elles ont déjà été étudiés par plusieurs investigateurs;
-Le système d’équations qui décrit le processus de changement de phase (équations IV.22 à
IV.25) est réduit à une seule équation du transfert de chaleur;
-Pour les deux méthodes, il n'y a pas besoin de déterminer explicitement le déplacement du
front de changement de phase.
Pour ce travail, nous avons choisi la méthode du apparent. En l'absence de mesure
on peut se donner une fonction à priori. On choisit une fonction de la température (fonction
gaussienne) qui permet d'obtenir la variation de capacité calorifique du matériau à
changement de phase ( ) (figure IV.7) [59].
= + ∆ . , . ∆ IV.37
Où ∆ est la température de transition de changement de phase, ∆T=1°C [60], [61].
Chapitre IV: Théorie de la modélisation
70
Figure IV.7: Evolutions de la capacité thermique en fonction de la température (fonction
gaussienne)
IV.4. Conclusion
On a présenté dans ce chapitre un récapitulatif de quelques notions de base relatif au
gisement solaire et une formulation mathématique du problème de changement de phase, la
connaissance de ces notions fondamentales et particulièrement le rayonnement global au sol
et la méthode du apparent va nous servir par la suite dans l'étude de comportement
thermique du mur vertical intégrer avec MCP est exposée au rayonnement solaire périodique
que l'on va étudier dans le prochain chapitre.
Température (°C)
Cap
acité
de
chal
eur
(J/k
g°C
)
22 24 26 28 30 320
5,000
10,000
15,000
20,000
25,000
30,000
35,000RT27
Plâtre 5% MCPs10% MCPs50 MCPs
Chapitre V: Simulation numérique
71
V.1. Introduction
Les charges de chauffage et de refroidissement des bâtiments sont la plupart du temps
dues à la transmission de chaleur à travers l'enveloppe de bâtiment. Du point de vue
d'économie d'énergie, la façon la plus efficace de réduire ces charges est de réaliser une
isolation thermique à l'enveloppe de bâtiment, entre autres, en utilisant des matériaux à
changement de phase.
L'efficacité des systèmes de protection des murs dépend de plusieurs paramètres tels
que l'orientation, les dimensions et leur fonctionnement thermique, vis à vis du climat.
Ce chapitre est constitué de deux parties. Dans la première partie, on étudie le
comportement thermique d'une paroi en plâtre contenant trois types différents de MCPs avec
des concentrations variables pour mettre en évidence l'importance de la quantité et la qualité
de MCP. Les objectifs préconisés dans la deuxième partie sont la détermination de la
concentration optimale de l'isolation pour différentes orientations de mur sous les conditions
climatiques de la ville de Ouargla. La simulation se fait à l'aide d'un code numérique écris
sous langage Matlab.
V.2. Analyse climatique de la ville de Ouargla
La wilaya de Ouargla est située au Sud-Est Algérien, elle est distante de 800 km de la
capitale Alger. Elle couvre une superficie de 163,323 km2. Elle est limitée au Nord par les
wilayas de Djelfa et d'El Oued au Sud par les wilayas d'Illizi et Tamanrasset à l'Ouest par les
wilayas de Ghardaïa et à l'Est par la Tunisie (figure V.1). La population de Ouargla est de
l'ordre 170 000 habitants avec une densité de 0,17 h/km2 répartie à travers 21 Communes [62]
La ville de Ouargla est caractérisée par un climat saharien, avec une pluviométrie très
réduite, des températures élevées en période estivale (voir figure V.2) [63], une forte
évaporation et par une faible vie biologique de l'écosystème.
Chapitre V: Simulation numérique
72
V.1: Localisation géographique de la wilaya de Ouargla [63].
De nombreux paramètres sont à prendre en compte si l'on veut faire une analyse très
détaillée de l'influence du climat sur l'ambiance intérieure : la vitesse du vent, la température
de l'air, l'humidité relative, le rayonnement solaire …etc [64].
A. La température
C'est un facteur principal qui conditionne le climat de la région, la température
moyenne annuelle est de 16,54°C; avec 36,13°C pour le mois le plus chaud (Juillet) et
12,11°C pour le mois le plus froid (Janvier).
B. L'humidité et l'évaporation
L'humidité relative enregistre des taux allant de 25,3 à 66,2 %. Alors que l'évaporation
C. La pluviométrie
Les précipitations sont rares et irrégulières et varient entre 0.22 mm et 17.1 mm par
an.
D. Les vents
Les vents dominants sont ceux de N/NE et S/SE avec une vitesse pouvant atteindre de 4.85
m/s et parfois dépasser 20 m/s. Le sirocco (vent chaud et sec) peut être observé au courant de
l'année.
E. L'ensoleillement
Les radiations solaires sont très importantes au Sahara car l’atmosphère présente une
grande pureté durant toute l’année. La durée m
mois de Juillet, et un minimum de 208,
F. L'évaporation :
Elle est très importante dans la période chaude de l'année avec une valeur
enregistrée est de 489,2 mm au mois juillet et la valeur minimum enregistré
en mois Décembre. La moyenne
Figure V.2: Interprétation des don
18.88
43.71
5.27
28
12.11
36.13
05
101520253035404550
JAN FEV MAR AVR MAI JUN JUI AOU
Tem
péra
ure
(°C)
T moy max T moy min
0
1
2
3
4
5
6
JAN FEV MAR AVR MAI JUN JUI
Vite
sse
de v
ent (
m/s
)
vitesse de vent
17.1
0.220
5
10
15
20
JAN FEV MAR AVR MAI JUN JUI AOU
Préc
ipita
tions
(mm
)
Précipitations (mm)
Chapitre V: Simulation numérique
73
Les radiations solaires sont très importantes au Sahara car l’atmosphère présente une
grande pureté durant toute l’année. La durée maximale d'insolation est de 327,
et un minimum de 208,6 heures au mois de Décembre.
Elle est très importante dans la période chaude de l'année avec une valeur
2 mm au mois juillet et la valeur minimum enregistré
en mois Décembre. La moyenne annuelle est de l’ordre de 276,89 mm.
Interprétation des données climatiques de la région d'Ouargla (2000
28.7
AOU SEP OCT NOV DEC
T moy
25.3
0
10
20
30
40
50
60
70
JAN FEV MAR AVR MAI JUN JUI AOU
Hum
idité
moy
enne
(%)
HR moy
AOU SEP OCT NOV DEC
vitesse de vent
050
100150200250300350400450500
Evap
orat
ion
(mm
)
Evaporation (mm)
AOU SEP OCT NOV DEC
0100200300400
JANFEV
JUNJUI
AOU
SEP
OCT
NOV
DEC
Durée moyenne d'insolation (h)
Simulation numérique
Les radiations solaires sont très importantes au Sahara car l’atmosphère présente une
insolation est de 327,3 heures au
Elle est très importante dans la période chaude de l'année avec une valeur maximale
2 mm au mois juillet et la valeur minimum enregistré est de 102,3 mm
Ouargla (2000-2010) [64]
66.2
AOU SEP OCT NOV DEC
489.2
102.3
Evaporation (mm)
FEV
MAR
AVR
MAI
JUN
Durée moyenne d'insolation (h)
Chapitre V: Simulation numérique
74
G. Diagramme ombrothermique GAUSSEN :
Le diagramme ombrothermique de GAUSSEN montre que l'aire comprise entre les
deux courbes (la température moyenne et la précipitation) représente la période sèche.
D'après le diagramme ombrothermique de la ville de Ouargla (figure V.3), il en ressort
deux périodes distinctes:
- Une période froide et humide correspondant au mois d'hiver s'étalant du mois de Octobre au
mois de Mars.
- Une période chaude et sèche s'étalant du mois de Avril jusqu’à Septembre.
Figure V.3: Diagramme ombrothermique de la ville de Ouargla [64]
V.3. Détermination de la zone climatique de la ville de Ouargla
En appliquant la formule de De Martonne (Annexe 1) [15] :
= V.1
On obtient un =0.33, donc : 0< <5. De part cette valeur calculée de l'indice de
De Martonne, la ville de Ouargla est classée comme région à climat hyper-aride.
Jan FebMarAprMayJun Jul Aug Sep Oct Nov Dec0
5
10
15
20
25
30
35
40
Température (°C)
Mois
Tem
péra
ture
(°C
)
0
2
4
6
8
10
12
Précipitation (°C)
Préc
ipita
tion
(mm
)
Chapitre V: Simulation numérique
75
V.4. Choix du matériau à changement de phase
Lorsque le mur extérieur d'un bâtiment est soumis à des fluctuations des températures
ou de flux thermique, il est important que la température de la surface intérieure reste à une
température la plus constante possible et proche d'une valeur conduisant à un confort optimal
des occupants. Une façon d'y arriver à ce confort est d'isoler convenablement cette paroi et/ou
d'utiliser des MCP micro-encapsulés dont la température de changement d'état est voisine de
celle de confort. Le comportement de différents types de parois va donc être étudié par
simulation numérique.
Dans ce chapitre, plusieurs types de parois seront étudiés en associant différents
matériaux: plâtre, MCPs. La simulation numérique a été réalisée par un code de calcul préparé
à cet effet en utilisant le logiciel Matlab. Elle repose sur la programmation de modèles
mathématiques qui sont adaptés aux moyens numériques.
Le système décrit par l'équation de chaleur transitoire à été discrétisé par la méthode
de différences finies (la méthode explicite).
V.4.1. But du travail
Cette investigation vise l'évaluation d'impact de l'isolation par les matériaux à
changement de phase sur le confort thermique estival des bâtiments sous le climat de Ouargla
et par conséquent sur le confort des individus. L'isolation peut réguler considérablement le
confort intérieur et permet ainsi d'obtenir des économies d'énergie.
V.4.2. Description du problème
Le modèle physique considéré est présenté dans la figure V.4. Il s'agit d'une cavité
d'aluminium de dimension (10x6x3 cm) avec une épaisseur de 1mm, sur la quelle on dépose
une plaque de plâtre qui contient les matériaux à changement de phase. L'ensemble cavité et
plaque de plâtre sont couverts d'une couche de liège de 2cm d'épaisseur afin d'assurer une
isolation de système avec le milieu extérieure. La circulation de l'eau chaude dans la cavité est
assurée à l'aide d'une pompe hydraulique. Ce débit d'eau apporte avec lui une chaleur
calorifique qui peut être régulé avec un bain thermostatique de telle sorte que la température
obtenue soit similaire à celle de la ville de Ouargla. La cavité d'aluminium équipée d'un
mélangeur pour atteindre l'homogénéité de la température de l'eau.
Chapitre V: Simulation numérique
76
Figure V.4: Modèle physique pour l'étude du comportement thermique des parois [9].
V.4.3. Modèle mathématique
Le comportement de différents types de parois va donc être étudié par simulation
numérique en faisant plusieurs hypothèses [9].
§ Les microcapsules sont homogènes et uniformément distribuées à l'intérieur du mur.
§ Le taux d'encapsulation égal à 50% (masse de matière active / masse de
microcapsules) [65].
§ Le volume total du mur constant.
§ La contribution de la chaleur latente de MCP à la capacité de stockage du mur est
établie par la variation de la capacité de chaleur spécifique apparente avec la
température.
§ Les conductivités thermiques et les densités des matériaux de construction sont
indépendantes de la température, mais ayant des valeurs différentes pour le solide et
la phase liquide. Ainsi, la densité et la conductivité de MCP sont des fonctions de la
fraction fondue.
§ Le transfert thermique par le mur est unidimensionnel (La cavité d'aluminium
équipée d'un mélangeur pour atteindre l'homogénéité de la température de l'eau.
§ Le modèle mathématique est basé sur l'équation de conduction de la chaleur de
Fourier. Plusieurs types de parois seront étudiés en associant différents matériaux:
plâtre, MCPs. La simulation numérique sera effectuée en résolvant l'équation de
Bain thermostat (Bath)
Débitmètre
Isolant (Liège) Microcapsules
Paroi avec
MCPs
Cellule d'aluminium
Pompe
Chapitre V: Simulation numérique
77
conduction de la chaleur à travers ces parois avec des conditions aux limites
appropriées.
( . . ) = . V.2
Direction de flux thermique (m) Température (°C) Temps (s) Densité (kg/m3) Chaleur spécifique, (J/kg°C) Conductivité thermique, (W/m°C)
La densité et la conductivité de mur à n'importe quelle température peuvent être
obtenues comme fonction des densités et des conductivités initiales des matériaux originaux,
respectivement. Ils dépendent de la fraction massique fondue du MCP (Wf) à chaque
température. La fraction massique fondue de MCP peut être obtenue comme suit:
⎩⎪⎨⎪⎧ ≤ = 0 . 3 < ≤ = ∫ ∫ V. 4 > = 1 . 5
et sont les températures de point de fusion respectivement initiale et finale du MCP.
Ainsi, si on suppose le volume total constant, la densité de mur et la conductivité à n'importe
quelle température peuvent être obtenues comme suit:
= ∑ + + 1− V.6
= ∑ + + 1− V.7 Densité des matériaux de construction sauf le MCP (kg/m3) Conductivité des matériaux de construction sauf le MCP (W/m.°C) Fraction massique des matériaux de construction sauf le MCP Fraction massique du MCP Densité du MCP en phase liquide (kg/m3) Conductivité thermique du MCP en phase liquide (W/m.°C)
Chapitre V: Simulation numérique
78
Densité du MCP en phase solide (kg/m3) Conductivité thermique du MCP en phase solide (W/m.°C) Nombre des matériaux de construction de mur sauf le MCP
V.4.3.1.Les conditions initiales et aux limites
Les conditions initiales et aux limites reproduisant le modèle physique décrit dans la
figure V.4 s'expriment comme suit :
a) Pour la zone paroi
⎩⎪⎨⎪⎧ = 0 = . 8 = 0 = ̇ . 9 = = è . 10
Température initiale de la paroi de plâtre (°C) ̇ Flux de la chaleur entrant (W/m2) è Conductivité thermique de liège (W/m.°C) Epaisseur du bloc de plâtre (m)
b) Pour la zone isolée
L'équation de conduction de la chaleur de Fourier (V.2) pour la zone liège devient:
= è ² ²
V.11
= 0 = è V.12
= + è è è = ℎ ( − ∞ ) V.13
è Température initiale du liège (kg/m3) liège Diffusivité thermique du liège (m2/s) ℎ Coefficient de convection de transfèrent chaleur (W/m2.°C) ∞ Température extérieur (°C) è Epaisseur d'isolation (m)
Chapitre V: Simulation numérique
79
Le système ci-dessus des équations a été discrétisé par la méthode des différences
finies. En appliquant cette méthode numérique, on peut réduire les équations différentielles
partielles (V.2) et (V.11) à un système d'équations ordinaire, tenant compte des conditions aux
limites.
V.4.3.2. Processus de calcul
Un programme informatique a été écrit sur la version 7 du logiciel Matlab afin de
procéder à la résolution numérique du modèle direct. L'organigramme décrivant les
différentes étapes du calcul est résumé ci dessus.
Figure V.5: Organigramme de calcul
Début
Propriétés thermo-physiques des matériaux (construction, isolants), les conditions climatiques, les conditions initiales et aux limites.
WMCP=0
t=0
Résolution du problème par Matlab
t=t+1
t<24
Calcul de Tsi
WMCP= WMCP+0.1
WMCP<1
Traitement des résultats
Fin
Oui
Oui
La discrétisation d'équations de transfère de chaleur avec la méthode des différences finies
Chapitre V: Simulation numérique
80
V.4.3.3. Validation des procédures de calcul
Un calcul de simulation préliminaire a été effectué pour comparer les résultats obtenus
par le présent travail et les résultats expérimentaux présentés par Borreguero [9]. Nous avons
choisi le problème du choc thermique à température imposée en surface sur un mur plan
d'épaisseur 6cm. Cette température variée entre 18 et 42°C par un pas de 0.5°C. Le problème
est unidimensionnel. La validation faite par un logiciel Digitizelt.
L'évolution de la température de la surface extérieure de paroi est présentée sur la
figure V.6 et le tableau V.1.
Figure V.6: Validation du travail présent obtenu et la littérature (Borreguero) [9].
Les courbes de la figure V.6 révèlent une concordance entre la température surfacique
interne simulée et celles de Borreguero.
Le tableau V.1 montre un écart maximal entre les deux courbes de température de
0,806°C, enregistrée à 20000s. Ceci montre la validité de notre modèle.
Temps (s)0 5000 10000 15000 20000
23
23.5
24
24.5
25
Tem
péra
ture
(°C
)
Travail présent[9]
Chapitre V: Simulation numérique
81
Tableau V.1: Comparaison des valeurs de la température et écart entre des courbes obtenues
par la simulation numérique et la littérature [9].
t(s) T(°C) (travail présent) T (°C) [9] Ecart %
0 23 23 0
248 23 23 0
661 23 23 0
1200 23 23 0
1980 23,1 23,1 0
3800 23,3 23,3 0
5000 23,5 23,5 0
7150 23,8 23,9 0,418
10000 24,1 24,2 0,413
12000 24,3 24,4 0,409
15000 24,6 24,6 0
17000 24,7 24,7 0
18000 24,8 24,7 0,404
20000 25 24,8 0,806
V.4.4.Les cas étudiés
Différents types de parois ont été simulés avec ou sans matériaux à changement de
phase (figure V.4). On peut classer sous deux rubriques les cas qui ont été analysés à l'aide de
la simulation :
a) Parois de plâtre sans MCPs;
b) Parois de plâtre avec MCPs.
Les trois paramètres qui sont introduits au modèle sont:
1) Le flux thermique instantané.
Nous montrons le flux thermique instantané pour un bloc froid de plâtre placé sur un
plat chaud dans la figure suivante.
Chapitre V: Simulation numérique
82
Figure V.7. Flux de chaleur entrant de paroi en plâtre
La température extérieure variant ainsi sinusoïdalement suivant la relation [50]:
( ) = ( ) + ( ) sin ( − 8) /12 V.14
Température maximale journalière (°C) Température minimale journalière (°C)
2) Température intérieure constante : = 23°C
3) La capacité de chaleur spécifique apparente avec la température.
La figure V.8 montre la capacité de chaleur spécifique apparente pour les parois
de plâtre avec différents pourcentages d'eicosane. Les courbes théoriques contenant 5%, 10%
et 50% du poids des microcapsules ont été calculées comme combinaison des matériaux
originaux.
Temps (h)0 4 8 12 16 20 24100
150
200
250
300
350
400
450
Flux
de
chal
eur
(W/m
2)
Chapitre V: Simulation numérique
83
Figure V.8: La capacité thermique apparente de parois de plâtre avec différentes
concentrations (Cas CaCl2.6H2O avec 0%, 5%, 10% et 50%)
V.4.4.1. Les grandeurs analysées
La grandeur qui nous intéresse principalement est la température de la surface
intérieure des parois. Ce sont donc les variations de cette grandeur qui seront analysées.
V.4.4.2. Propriétés thermophysiques des matériaux
Les parois étudiées sont constituées :
- de plâtre pur ;
- de polymère (polystyrène);
- de mélange plâtre/ MCP. Les MCP utilisés sont: Eicosane, CaCl2.6H2O et Na2CO310H2O.
Le tableau V.2 donne les propriétés physiques des différents matériaux utilisés.
Température (°C)23 25 27 29 31 330
5
10
15
20
25
30
Cap
acité
de
chal
eur
(kJ/
kg.°
C)
Plâtre5% MCPs10% MCPs50% MCPs
Chapitre V: Simulation numérique
84
Tableau V.2: Les propriétés physiques des matériaux utilisés [10], [9], [41], [60].
Matériel λ
[W/m.°C]
ρS
[kg/m3]
ρl
[kg/m3]
Cp
[kJ/kg.°C] TF (°C) (kJ/kg)
Polystyrène 0.08 1050 - 1.3 - -
Plâtre 0.2 900 - 0.9 - -
Eicosane 0.15 856 778 2.21 37 247
Na2CO3.10H2O 0.544 1458 1485 2.16 32 252
CaCl2.6H2O 0.54 1802 1562 2.16 29 190.8
V.4.4.3. Variation de la température de la surface intérieure en fonction de la
concentration et le type de MCP
Une paroi en plâtre contenant trois types différents de MCPs (Eicosane,
Na2CO3.10H2O et CaCl2.6H2O) avec des concentrations variables (0%, 5%, 10%, 15% et
50%) ont été étudiées pour mettre en évidence l'importance de la quantité et la qualité de
MCP.
Les figures suivantes (V.9, V.10 et V.11) présentes la variation de la température sur
la surface intérieure d'une paroi de mélange plâtre/MCPs avec des concentrations différentes
de MCPs.
Figure V.9: Comparaison des évolutions de la température intérieure pour des concentrations
différentes (cas: eicosane).
0 4 8 12 16 20 2420
24
28
32
36
40
44
Temps (h)
Tem
péra
ture
(°C)
Eicosane
Te0% MCPs5% MCPs10% MCPs15% MCPs50% MCPs
Chapitre V: Simulation numérique
85
Figure V.10. Comparaison des évolutions de la température intérieure pour des
concentrations différentes (cas: Na2CO3.10H2O)
Figure V.11. Comparaison des évolutions de la température intérieure pour des
concentrations différentes (cas: CaCl2.6H2O)
Le stockage par le plâtre est un stockage par chaleur sensible. On observe bien
l'efficacité du plâtre sur l'atténuation de l'amplitude des oscillations. Il y a pratiquement un
déphasage de 5 heures.
0 4 8 12 16 20 2420
24
28
32
36
40
44
Temps (h)
Tem
péra
ture
(°C
)
Eicosane
Te0% MCPs5% MCPs10% MCPs15% MCPs50% MCPs
CaCl2.6H2O
0 4 8 12 16 20 2420
24
28
32
36
40
44
Temps (h)
Tem
péra
ture
(°C)
Te0% MCPs5% MCPs10% MCPs15% MCPs50% MCPs
Chapitre V: Simulation numérique
86
On remarque, en outre, que la stabilité de la température de la surface intérieure est
liée au taux (l'augmentation de la quantité du MCP a un effet positif) et au type du MCP
contenu dans la paroi (la nature du MCP, en particulier, la température de fusion du MCP). La
valeur optimale de la température de fusion dépend de la température intérieure, qui elle aussi
dépend de la température extérieure et de la résistante thermique du mur.
La comparaison entre la valeur maximale et la valeur minimale de la température de la
surface intérieure ainsi que leur différence pour chaque concentration est effectuée dans les
tableaux (V.3, V.4 et V.5):
Tableau V.3: Variation des températures maximales et minimales sur la surface intérieure en
fonction de la concentration (Cas: Eicosane).
La concentration 0% 5% 10% 15% 50% (°C) 40.12 37 36.15 35.75 34.77 (°C) 23 23 23 23 23 ∆ 17.12 14 13.15 12.75 11.77
Tableau V.4: Variation des températures maximales et minimales sur la surface intérieure en
fonction de la concentration (Cas: Na2CO310H2O).
La concentration 0% 5% 10% 15% 50% (°C) 40.12 34.91 32.57 31.85 30.8 (°C) 23 23 23 23 23 ∆ 17.12 11.91 9.57 8.85 7.8
Tableau V.5: Variation des températures maximales et minimales sur la surface intérieure en
fonction de la concentration (Cas: CaCl2.6H2O).
La concentration 0% 5% 10% 15% 50% (°C) 40.12 37.33 33.57 30.1 27.7 (°C) 23 23 23 23 23 ∆ 17.12 14.33 10.57 7.1 4.7
D'après les résultats présentés, on remarque que l'écart entre les températures
maximales et minimales diminue avec l'augmentation de la concentration de MCP.
Chapitre V: Simulation numérique
87
V.4.4.4. Comparaison des simulations pour différents MCPs
Nous allons comparer dans ce qui suit les profils de températures intérieures et
extérieures des murs pour trois MCP différents. Les trois mélanges étudiés sont
respectivement (Eicosane/ Plâtre), (CaCl2.6H2O / Plâtre) et (Na2CO3.10H2O / Plâtre), et ceci
pour différentes concentrations de MCPs (10%,15% et 50%).
(a) Concentration de 10%
(b) Concentration de 15%
Temps (h)0 4 8 12 16 20 24
20
24
28
32
36
40
44
Tem
péra
ture
(°C
)
TePlâtre10% CaCl2.6H2O10% Eicosane10% NaCO3.10H2O
Temps (h)0 4 8 12 16 20 24
20
24
28
32
36
40
44
Tem
péra
ture
(°C
)
TePlâtre15% CaCl2.6H2O15% Eicosane15% NaCO3.10H2O
Chapitre V: Simulation numérique
88
(c) Concentration de 50%
(c) Concentration de 50%
Figure V. 12. Comparaison de la variation de la température intérieure pour trois parois de
concentrations identique.
La comparaison entre la valeur maximale et la valeur minimale de la température de la
surface intérieure ainsi que leur différence pour chaque concentration est effectuée dans les
tableaux (V.6, V.7 et V.8):
Tableau V.6: La comparaison entre la valeur maximale et la valeur minimale de la
température de la surface intérieure pour chaque type de MCP (10% MCP).
Eicosane CaCl2.6H2O Na2CO3.10H2O (°C) 36.15 33.57 32.57 (°C) 23 23 23 ∆ ( ) 13.15 10.57 9.57 é (ℎ) 7 5 7
Temps (h)0 4 8 12 16 20 24
20
24
28
32
36
40
44
Tem
péra
ture
(°C
)
TePlâtre 50% CaCl2.6H2O 50% Eicosane50% NaCO3.10H2O
Chapitre V: Simulation numérique
89
Tableau V.7: La comparaison entre la valeur maximale et la valeur minimale de la
température de la surface intérieure pour chaque type de MCP (15% MCP).
Eicosane CaCl2.6H2O Na2CO3.10H2O (°C) 35.75 30.1 31.85 (°C) 23 23 23 ∆ 12.75 7.1 8.85 é (ℎ) 7 7 7
Tableau V.8: La comparaison entre la valeur maximale et la valeur minimale de la
température de la surface intérieure pour chaque type de MCP (50% MCP).
Eicosane CaCl2.6H2O Na2CO3.10H2O T (°C) 34.77 27.7 30.8 T (°C) 23 23 23 ∆T 11.77 4.7 7.8 é (ℎ) 7 7 7
La figure V. 8 met bien en évidence le comportement de chaque type de paroi ainsi
que la différence entre les trois types de MCPs.
Les écarts de température diminuent au fur et à mesure qu'on augmente les
concentrations de MCP dans les mélanges. Ce constat est valable pour les types de MCP
utilisés. Le mélange plâtre/ CaCl2.6H2O dans les trois cas de figure présente les meilleures
caractéristiques vis-à-vis de l'isolation thermique. Un déphasage entre la température
maximale sans MCP et la température maximale avec MCP est apparu pour différentes
concentrations. En ce qui concerne l'eicosane et le NaCO3.10H2O, lé déphase demeure
constant égal à 7 heures et reste insensible à la concentration utilisée. Pour le CaCl2.6H2O, le
déphasage est fonction de la concentration et atteint un déphasage maximum de 7 heures à
partir d'une concentration de 15%.
Les MCP utilisés dans les cloisons seront ceux qui ont des points de fusion et de
solidification aux températures qui réalisent le confort thermique avec le prix le plus faible
possible. Le tableau V.9 donne les prix de chaque composé étudié.
Chapitre V: Simulation numérique
90
Tableau V.9: Les prix des composés étudiés [66].
Les composés Quantité (kg) Prix ($)
Eicosane 0.025
0.1
10.5
27.6
Na2CO3.10H2O
0.5
2.5
5
16.2
31.2
47.5
CaCl2.6H2O
0.25
1
5
10.9
29.4
87.1
Le tableau V.9 indique que les prix des composés chimiques utilisés diminuent au fur
et à mesure que les quantités augmentent. Nous présentons sur la figure suivante les prix des
MCP en fonction des quantités.
Figure V.13: Les coûts des MCP en fonction de la quantité.
On remarque que, pour une quantité de MCP supérieure à 12 kg le CaCl2.6H2O a un
prix plus faible que celui du Na2CO3.10H2O.
A partir de résultats obtenus, on peut dire que le CaCl2.6H2O ayant un point de fusion
égale à la température (29 °C) réalise le meilleur confort thermique vis-à-vis de
l'environnement choisi de la ville de Ouargla avec le cout le plus faible comparé avec les
autres MCPs étudiés. Ainsi, nous ferons le choix de ce composé pour la suite du travail.
3.5
1 7 13 19 25 31 37
0.5
1
1.5
2
2.5
3
Quantité (kg)
Prix
($)
NaCO3.10H2OCaCl2.6H2O
Chapitre V: Simulation numérique
91
V.5: Effet de l'orientation de mur sur la concentration optimale de MCP
L'étude par simulation numérique de paroi constituée d'un mélange plâtre-MCPs a
montré que la quantité de MCP devrait être augmentée pour améliorer l'efficacité énergétique
de la paroi. Donc il est nécessaire de faire une analyse économique pour déterminer la
concentration optimale des matériaux d'isolation pour chaque orientation.
Les objectifs préconisés dans cette partie sont la détermination de la concentration
optimale de l'isolation (MCP) pour différentes orientations de mur sous les conditions
climatiques de la ville de Ouargla. Le gain de chaleur annuel étant déterminé au moyen de la
méthode explicite par différences finies dans des conditions périodiques régulières. Puis, la
concentration optimale de MCP et le temps de retour d'investissement pour toutes les
orientations de mur seront calculées en employant ces charges dans l'analyse du coût.
V.5.1. Effet de l'orientation sur la température intérieure d'un mur vertical
Lorsqu'on a affaire à un bâtiment sur plan, le facteur d'orientation est appréciable dans
ces effets non pas au bâtiment d'ensemble, mais à ses différentes pièces.
Le choix d'une orientation est soumis à de nombreuses considérations, cependant la
position de la façade par rapport au soleil qu'affecte l'ambiance intérieure. Cet aspect est fixé
comme objectif dans cette partie.
V.5.1.1.Modèle physique
Le modèle physique considéré est présenté dans la figure V.14. Il s'agit d'un mur
multicouche vertical orienté vers les quatre faces (Nord, Sud, Est et Ouest). La surface
extérieure du mur est exposée au rayonnement solaire périodique et à la température de l'air
extérieur. La surface intérieure ayant une température constante égale à celle de l'air de la
pièce. La structure du mur est constitué de quatre couches parallèles de matériaux différents
telles que : le plâtre, isolant (mélange plâtre/MCPs), brique et plâtre. Les épaisseurs de chaque
matériau utilisé sont respectivement 2 cm, 2cm, 15 cm et 2cm. Dans cette étude, le matériau à
changement de phase choisi est le CaCl2.6H2O, vu qu'il présente le meilleur choix technico-
économique comparé aux trois types du MCP étudiés (figure V.12). Les propriétés thermiques
des matériaux employées dans la structure de mur sont données dans les tableaux (V.2 et
V.10).
Chapitre V: Simulation numérique
92
Figure V.14 : La structure du mur multicouche
V.5.1.2. Modèle mathématique
En régime transitoire, l'équation de conduction de la chaleur du mur multicouche
s'écrit:
= V.15
Numéro des couches Densité de la j éme couche (kg/m3) Chaleur spécifique de la j éme couche (J/kg.°C) Conductivité thermique de la j éme couche (W/m.°C)
Pour simplifier le modèle mathématique, nous considérons quelques hypothèses et
approximations [53] :
§ Aucune génération de chaleur.
§ Les propriétés thermophysiques des matériaux de construction sont constantes, mais
ayant des valeurs différentes pour le solide et la phase liquide. Ainsi, la densité et la
conductivité de MCP sont des fonctions de la fraction fondue.
§ L'épaisseur du mur multicouche est petite par rapport à sa largeur et sa
longueur. Par conséquent, le transfert thermique par le mur est unidimensionnel.
§ La résistance d'interface est négligeable.
Enduit Enduit Isolant Brique
( )
0( ),ℎ0
Extérieur ,ℎ Intérieur
0
Chapitre V: Simulation numérique
93
V.5.1.3.Les conditions initiales et aux limites
Les conditions initiales et aux limites choisies pour simuler les variations journalières
de température sont les suivantes :
( , 0) = , V.16
− = ℎ ( ( )− ) + . ( ) V.17
− = ℎ ( − ) V.18
Où est la température initiale du mur multicouche.
Dans cette étude, les températures maximale et minimale employées dans la relation
(V.14) pour déterminer la température ambiante de Ouargla sont obtenues en faisant la
moyenne des mesures mensuelles enregistré dans des stations météorologiques au cours des
années 2000-2010. On prend la température de confort thermique pour la période estivale = 26° et la température de l'air intérieur égal à 23°C. est le coefficient d'absorption
de la surface extérieure de mur, pour notre étude =0.4 et les coefficients de transfert de
chaleur par convection entre les fluides et les faces internes et externes sont respectivement
égales à 10 W/m2°C et 20W/m2°C.
Le rayonnement solaire ( ) pour les murs verticaux à différentes orientations est
calculé par la relation IV.20 (Chapitre IV):
L'équation différentielle (V.15) à été discrétisée par la méthode de différences finies
(la méthode explicite). A chaque itération, le vecteur des inconnues discrètes se détermine par
simple produit matriciel. Un code de calcul numérique écris sous langage Matlab est utilisé
pour la résolution des équations. La solution numérique obtenue exprime la variation de la
température horaire de la surface intérieure du mur.
Chapitre V: Simulation numérique
94
La figure V.15 présente les radiations globales pour un mur vertical pour quatre
orientations (Nord, Sud, Est et Ouest) durant un mois froid de l'année -Janvier- pour la ville
de Ouargla.
Figure V.15 : Radiations globales pour un mur vertical pour quatre orientations durant un
mois froid de l'année -Janvier- pour la ville de Ouargla.
En effet, le mur vertical Sud reçoit le maximum de rayonnement solaire au mois de
Janvier comparé aux autres orientations avec un rayonnement global égal à 1148W/m².
L'orientation Nord, est considérée comme la plus défavorable, avec un rayonnement
global de 151.7 W/m², car elle reçoit le minimum de radiations solaires en hiver.
L'orientation Est reçoit la même quantité d'énergie que celle d'Ouest (819.1W/m2).
La lecture de la figure ci-dessous (figure V.16) démontre les quantités de radiations solaires
globales pour un mur vertical pour quatre orientations (Nord, Sud, Est et Ouest) durant un
mois chaud de l'année correspondant au mois de Juillet pour la ville de Ouargla.
Heures0 4 8 12 16 20 24
0
200
400
600
800
1000
1200
Ray
onne
men
t (W
/m2 )
Janvier
EstSudOuestNord
Chapitre V: Simulation numérique
95
Figure V.16 : Radiations global pour un mur vertical pour quatre orientations durant un mois
chaud de l'année -Juillet- pour la ville de Ouargla.
En effet, le mur vertical Nord reçoit le minimum de radiations solaires au mois de
juillet comparé aux autres orientations avec un rayonnement global égal à 1027 W/m².
Les orientations Est et Ouest, sont considérées les plus défavorables, avec un
rayonnement global de 1374 W/m² car elles reçoivent le maximum de radiations solaires en
été. Quant à l'orientation Sud, elle reçoit une quantité de radiations solaires de 1351 W/m².
Toutes ces données, nous permettent de conclure que l’orientation sud reçoit le
maximum de radiation en hiver, et l'orientation Nord reçoit le minimum en été par rapport aux
autres orientations.
Nous présentons sur la figure V.17 l'effet de l'orientation sur la température intérieure
d'un mur vertical sans MCP et avec MCP et ceci pour différentes concentrations.
Heures0 4 8 12 16 20 24
0
200
400
600
800
1000
1200
1400R
ayon
nem
ent (
W/m
2 ) 2
Juillet
EstSudOuestNord
Chapitre V: Simulation numérique
96
Figure V. 17: Effet de l'orientation sur la température intérieure d'un mur vertical (17 Juillet).
A partir d'une concentration de 25%, la température de la surface intérieur ne dépasse
pas la température de confort thermique estivale (26°C) et ceci pour toutes les orientations
étudiées.
Pour montrer l'effet de l'orientation du mur sur le confort intérieur de l'enceinte, nous
avons choisi de présenter pour une concentration du MCP égal à 15% les profils intérieurs de
la température et ceci pour les quatre orientations proposées (Nord, Sud, Est et Ouest).
0 4 8 12 16 20 2420
26
32
38
44
50
56
62
6872
Temps (h)
Tem
péra
ture
(°C
)
(°C
)
(a) Nord (Juillet)
TeTse0%5%10%15%20%25%30%35%
(b) Sud (Juillet)
0 4 8 12 16 20 2420
26
32
38
44
50
56
62
6872
Temps (h)
Tem
péra
ture
(°C
)
(°C
)
TeTse0%5%10%15%20%25%30%35%
0 4 8 12 16 20 2420
26
32
38
44
50
56
62
6872
Temps (h)
Tem
péra
ture
(°C
)
(°C
)
(c) Est (Juillet)
TeTse0%5%10%15%20%25%30%35%
Temps (h)0 4 8 12 16 20 24
20
26
32
38
44
50
56
62
6872
Tem
péra
ture
(°C
)
(°C
)
(d) Ouest (Juillet
TeTse0% 5%10%15%20%25%30%35%
Chapitre V: Simulation numérique
97
Figure V.18: Effet de l'orientation sur la température intérieure d'un mur vertical:(a) sans
MCPs, (b) avec MCPs (15%).
Le mur proposé avec une concentration de CaCl2.6H2O présente pour toutes les
orientations une réduction significative des fluctuations de la température sur la surface
intérieure comparée au mur sans MCP. Nous remarquons aussi que les températures de la
surface intérieure du mur orienté Nord ont des valeurs inférieures à celles des murs Est, Sud
et Ouest pour le jour type choisi. Les écarts de températures maximales et minimales du mur
avec et sans MCP (concentration égale à 15%) pour les orientations Nord, Sud, Ouest et Est
sont respectivement égales à 8.07, 9.06, 9,68 et 8.82.
La figure V. 19 montre l'effet de la concentration du MCP sur la charge annuelle de
transmission de chaleur de refroidissement pour un mur vertical pour quatre orientations
durant six mois de la période estivale (de Juin à Septembre).
Juillet
0 4 8 12 16 20 2422
24
26
28
30
32
34
36
38
40
Temps (h)
Tem
péra
ture
(°C
)
EstNordOuestSud
Juillet
Temps (h)0 4 8 12 16 20 24
20
22
24
26
28
30
Tem
péra
ture
(°C
)
EstNordOuestSud
(a) (b)
Chapitre V: Simulation numérique
98
Le gain de chaleur du mur à l'espace intérieur est obtenu comme suit:
= ℎ ( − ) V.19
Dans cette étude, les calculs sont effectués pendant un jour type pour chaque mois de
l'année pour des pourcentages donnés d'un MCP. Le jour type de chaque mois de l'année est
considéré comme jour représentatif. Une fois le gain de chaleur instantané est calculé, le gain
thermique quotidien est obtenu par l'intégration pendant 24 heures de gain instantané. Le
procédé est répété pour chaque jour des mois d'été (de Juin à Septembre). Le gain de chaleur
annuel est calculé à partir des charges quotidiennes de transmissions par mètre carré qui sont
ajoutées sur toute l'année.
Figure V.19: Effet de la concentration du MCP sur le gain de chaleur pour un mur vertical
pour quatre orientations.
On peut noter que l'augmentation de la concentration du MCP conduit à la diminution
de la charge de transmission d'énergie à l'enceinte. Cette diminution est très rapide pour les
petites valeurs de concentration du MCP (de 0 à 10%). Nous déduisons de cette figure que les
orientations Ouest et Sud fournissent des charges de transmission de chaleur égaux et qui sont
les plus forts comparés aux orientations Est et Nord. La valeur la plus basse de la charge de
refroidissement est donnée pour le mur exposé au Nord et ceci pour toutes les concentrations
étudiées. A partir de la concentration du MCP supérieur ou égal 25%, les charges annuelles de
0 5 10 15 20 25 30-5
0
5
10
15
20
25
Pourcentage du MCP (%)
Gai
n de
cha
leur
ann
uel (
kWh/
m2 ) 2
OuestEstNordSud
Chapitre V: Simulation numérique
99
transmission de chaleur de refroidissement sont identiques et égal à zéro pour toutes les
orientations étudiées. Pour une concentration égale à 20%, la charge annuelle de transmission
de chaleur est annulée pour le mur orienté Nord seulement.
La figure V.20 présente la charge annuelle de refroidissement obtenues avec et sans
MCPs (pour les différentes orientations).
Figure V 20: Gain de chaleur annuel pour un mur orienté Nord, Sud, Est, et Ouest à
différentes concentrations du MCP
La figure V.20 Nous permet de conclure que l'orientation Nord considérée est la plus
favorable d'un point de vue charge de refroidissement, avec une charge de transmission
globale de refroidissement de 19.91 kWh/m² (mur sans MCP) car elles reçoivent le minimum
de charge de transmission en période estivale. On observe bien l'effet de l'orientation de
l'habitation sur sa température intérieure qui diminue avec l'augmentation de la concentration
du MCP jusqu'à annulation du gain annuel pour la concentration de 25% et ceci pour toutes
les orientations.
V.5.2. Analyse économique
L'utilisation de l'isolation thermique réduit la charge de climatisation, ainsi le coût
énergétique de refroidissement en été. Cependant, les prix des matériaux d'isolation
augmentent le coût initial de la construction. Par conséquent, une analyse économique devrait
Ouest Sud Est Nord0
5
10
15
20
25
Gai
n de
cha
leur
(kW
h/m
2 )
0% 5% 10% 15% 20%
Orientation
Chapitre V: Simulation numérique
100
être exécutée afin d'estimer la concentration optimale du MCP qui réduit au minimum le coût
total comprenant l'isolation et les coûts de consommation d'énergie au cours de la période de
la vie du bâtiment. Le coût total par unité de surface de mur est donné par [67]:
= . + V.20 Cout d'énergie ($/m2) Facteur de la valeur actuelle Coût d'isolation par unité de surface ($/m2)
Le coût d'isolation est donné par:
= . . V.21 Coût de MCP par unité de volume ($/m3)
L Epaisseur de la couche de plâtre/MCP (m)
Le cout annuel d'énergie par unité de surface du mur pour le refroidissement ( )
est donnée par [52], [54], [68], [69]:
= . V.22
Gain annuel de la chaleur (kWh/m2) Coefficient de performance du dispositif de climatisation Cout d'électricité ($/kWh)
Le facteur de valeur actuelle du coût de consommation d'énergie (PWF) est défini
comme suit [51], [53], [69], [70]:
= ( ) ( ) , > = < = V.23
= V.24
Durée de vie (30 ans) Taux d'actualisation (%) Taux d'intérêt (%) Taux d'inflation (%)
Chapitre V: Simulation numérique
101
Le temps de retour d'investissement ( ( )) est le coût d'isolation divisé par les
économies d'énergie annuelles ( ) , il est simplement donné par [67]:
( ) = .( ) . V.23
Par conséquent, nous avons:
= . . /( ) V.24
Les économies d'énergie annuelles sont définies comme la différence entre le coût
énergétique sans isolation et le coût énergétique avec une isolation qu'utilise une
concentration optimale du MCP, divisée par le PWF. Les paramètres utilisés dans les calculs
sont donnés dans le tableau V.10.
Tableau V.10: Les paramètres utilisés dans les calculs [53], [72], [73]
Paramètres Valeurs
Brique
Conductivité thermique
Masse volumique
Capacité calorifique
0.62 W/m°C
1800 kg/m3
840 J/kg°C
Electricité
Cout d'électricité 0.11 $/kWh
Coefficient de performance, COP 2.5
Taux d'actualisation, r 0.05
(1$=76.59DA en 26/02/2013) [74]
Dans la figure V.21, le coût de consommation d'électricité, le coût du MCP et le coût
total sont tracés en fonction de la concentration du MCP pour chaque orientation.
Chapitre V: Simulation numérique
102
Figure V.21 : Le coût du MCP et le coût total en fonction avec la concentration du MCP pour
chaque orientation.
Comme prévu, la courbe de coût total montre un minimum qui correspond à la
concentration optimale du MCP. Les résultats prouvent que la concentration optimale du
MCP pour chaque orientation est de 15% et le temps de retour d'investissement pour les
orientations Ouest/ Sud, Est et Nord sont respectivement: 10.51, 9.14 et 8.51 ans.
V.6. Conclusion
Dans ce chapitre, on a étudié le comportement thermique d'une paroi contenant un
MCP pour réaliser le confort thermique et économique de l'énergie dans les bâtiments en été.
Pour cela, une simulation numérique a été réalisée avec le logiciel Matlab7 sur différents
types de paroi. Le travail entrepris dans cette étude consiste en deux parties essentielles. Dans
la première partie, on a étudié le comportement thermique d'une paroi en plâtre contenant
trois types différents de MCPs (Eicosane, Na2CO3.10H2O et CaCl2.6H2O et) avec des
concentrations variables pour effectuer le choix technico-économique d'un matériau à
changement de phase.
La deuxième partie a été dédiée à l'étude de l'effet d'orientation sur la température
intérieure d'un mur vertical, et la détermination de la concentration optimale pour le MCP
16
0 5 10 15 20 25 300
2
4
6
8
10
12
14
Coû
t ($/
m2 ) 2
Pourcentage du MCP (%)
MCPOuestEstNordSud
Chapitre V: Simulation numérique
103
choisi pour différentes orientations de mur sous les conditions climatiques de la ville de
Ouargla. Les résultats obtenus ont mis en évidence :
§ Le CaCl2.6H2O donne des bons résultats comparé avec les autres MCPs étudiés.
L'augmentation de pourcentage de MCP permet d'augmenter l'inertie thermique.
§ Un déphasage entre la température maximale sans MCP et la température maximale
avec MCP est apparu pour différentes concentrations. Pour le CaCl2.6H2O, le
déphasage est fonction de la concentration et atteint un déphasage maximum de 7
heures à partir d'une concentration de 15%.
§ Le mur proposé avec une concentration de CaCl2.6H2O présente pour toutes les
orientations une réduction significative des fluctuations de la température sur la
surface intérieure comparée au mur sans MCP. Nous remarquons aussi que les
températures de la surface intérieure du mur orienté Nord ont des valeurs inférieures à
celles des murs Est, Sud et Ouest pour le jour type choisi. Les écarts de températures
maximales et minimales du mur avec et sans MCP (concentration égale à 15%) pour
les orientations Nord, Sud, Ouest et Est sont respectivement égales à 8.07, 9.06, 9,68
et 8.82.
§ Les orientations Ouest et Sud fournissent des charges de transmission de chaleur de
refroidissements égaux qui sont le plus fortement comparés aux orientations de l'Est
et du Nord. La charge de refroidissement la plus faible est donnée pour le mur exposé
au Nord.
§ Une étude d'optimisation technico-économique a permis d'obtenir une concentration
optimale du MCP pour chaque orientation de 15%.
§ le temps de retour de l'investissement pour les orientations Ouest/ Sud, Est, et Nord
est respectivement de 10.51, 9.14 et 8.51 ans.
Les résultats nous ont permis aussi de conclure que l'orientation Nord considérée est la
plus favorable, car elle reçoit le minimum de charge de transmission en été. Nous remarquons
aussi qu'à partir d'une concentration de MCP égale à 25%, l'effet de l'orientation des parois
extérieur sur sa température intérieure est inexistant.
Conclusion générale
104
Conclusion générale
L'énergie exigée pour le confort thermique des bâtiments prend une grande proportion
de la consommation d'énergie totale en Algérie, aussi bien que beaucoup d'autres pays. Pour
réduire la consommation d'énergie, il serait intéressant de limiter les charges de transmission
dans les bâtiments, et par conséquent réduire la demande d'énergie en chauffage ou en
climatisation. La façon la plus efficace de réduire ces charges est de réaliser une isolation
thermique à l'enveloppe du bâtiment, entre autres, en utilisant des matériaux à changement de
phase. Le travail présenté dans ce mémoire s'intègre dans ce cadre avec une élaboration d'un
matériau de construction en vue de l'isolation thermique des bâtiments pour réaliser le confort
thermique et économiser l'énergie dans les bâtiments en période estivale.
Pour atteindre cet objectif, dans un premier temps nous avons réalisé une étude
détaillée sur le comportement thermique d'une paroi en plâtre/MCPs. Pour cela, une
simulation numérique a été réalisée avec le logiciel Matlab. Le travail entrepris dans cette
étude consiste en deux parties essentielles. Dans la première partie, on a étudié le
comportement thermique d'une paroi en plâtre contenant trois types différent de MCPs
(Eicosane, Na2CO3.10H2O et CaCl2.6H2O) avec des concentrations variables pour effectuer le
choix d'un matériau à changement de phase. La deuxième partie a été dédiée à l'étude de
l'effet d'orientation sur la température intérieure d'un mur vertical, et la détermination de la
concentration optimale de l'isolation pour différentes orientations de mur sous les conditions
climatiques de la ville de Ouargla. Cette étude nous a permis de tirer de multiples
conclusions.
§ Le CaCl2.6H2O donne des bons résultats comparé avec les autres MCPs étudiés.
L'augmentation de pourcentage de MCP permet d'augmenter l'inertie thermique.
§ Un déphasage entre la température maximale sans MCP et la température maximale
avec MCP est apparu pour différentes concentrations. Pour le CaCl2.6H2O, le
déphasage est fonction de la concentration et atteint un déphasage maximum de 7
heures à partir d'une concentration de 15%.
§ Le mur proposé avec une concentration de CaCl2.6H2O présente pour toutes les
orientations une réduction significative des fluctuations de la température sur la
surface intérieure comparée au mur sans MCP. Nous remarquons aussi que les
températures de la surface intérieure du mur orienté Nord ont des valeurs inférieures à
Conclusion générale
105
celles des murs Est, Sud et Ouest pour le jour type choisi. Les écarts de températures
maximales et minimales du mur avec et sans MCP (concentration égale à 15%) pour
les orientations Nord, Sud, Ouest et Est sont respectivement égales à 8.07, 9.06, 9,68
et 8.82.
§ Les orientations Ouest et Sud fournissent des charges de transmission de chaleur de
refroidissements égaux qui sont le plus fortement comparés aux orientations de l'Est
et du Nord. La charge de refroidissement la plus faible est donnée pour le mur exposé
au Nord.
§ Une étude d'optimisation technico-économique a permis d'obtenir une concentration
optimale du MCP pour chaque orientation de 15%.
§ le temps de retour de l'investissement pour les orientations Ouest / Sud, Est, et Nord
est respectivement de 10,51, 9,14 et 8,51ans.
Les résultats nous ont permis aussi de conclure que l'orientation Nord considérée est la
plus favorable, car elle reçoit le minimum de charge de transmission en été. Nous remarquons
aussi qu'à partir d'une concentration de MCP égale à 25%, l’effet de l'orientation des parois
extérieur sur sa température intérieure est inexistant.
Les résultats obtenus répondent à l'objectif de ce travail qui maintient le confort
thermique avec une économie d'énergie. Poursuivre les travaux nous recommandons des
études suivantes:
§ L'effet de la position des MCP dans la paroi (proche de la surface extérieure et près de
la surface intérieure);
§ L'effet de coefficient d'absorption;
§ L'effet de facteur de forme.
106
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Annexes
111
Annexe 1: La classification climatique à partir des indices
De très nombreux indices climatiques ont été définis empiriquement pour permettre la
plus au moins grande aridité d'un climat.
De. Martonne en 1923 a calculé un indice d'aridité pour caractériser le pouvoir
évaporant de l'air à partir de la température.
= + 10
Où: indice d’aridité Précipitation moyenne annuelle ( = 5.6 ) Température moyenne annuelle ( = 16.54 ° )
Tableau 1: Indices de Martonne
Valeur de l’indice Type de climat 0 < < 5 Hyper aride
5 < < 10 Aride
10 < < 20 Semi aride
20 < < 30 Semi humide
30 < < 55 Humide
Annexes
112
Annexe 2: Les données climatiques de la région d'Ouargla (2000-2010) [64]
Tableau 2: Les données climatiques de la région d'Ouargla Paramètres Jan. Fèv. Mars Avril Mai Juin Juil. Août Sep. Oct. Nov. Dec.
TX (°C) 18.88 20.88 25.9 29.9 34.8 38.86 43.71 43.37 37.09 32.29 23.91 19.23
TN (°C) 5.27 7.22 10.99 15.24 19.96 25.21 28.28 28.7 23.38 17.98 10.13 6.13
TM (°C) 12.11 14.13 18.55 22.74 27.62 32.76 36.13 36.09 30.35 25.17 16.91 12.59
V (m/s) 2.83 3.29 3.89 4.36 4.85 4.58 3.73 3.79 3.44 3.27 2.71 2.64
Evap (mm) 111 145.3 225.3 286.5 362.1 444.5 489.2 457.9 318.6 244.4 135.6 102.3
Insol (h) 247.5 237.2 258.1 279.5 291.5 281.1 327.3 322.5 267.1 270.2 248.5 208.6
RR (mm) 17.1 0.79 5 5.43 0.97 0.59 0.22 4.45 6.39 11.8 6.36 8.15
H% 58.3 51 42.3 36.3 32.3 26.9 25.3 27.7 30 44.9 56.4 66.2
Où
TM Température moyenne
TX Température maximale
TN Température minimale
H% Humidité relative
V Vitesse vent
Evap Evaporation
Insol Insolation
RR Precipitation
Annexes
113
Annexe 3: Les courbes d'effet de l'orientation sur la température intérieure d'un mur
vertical
0 4 8 12 16 20 2420
26
32
38
44
50
56
62
6872
Temps (h)
Tem
péra
ture
(°C
)
(°C
)(a) Nord (Avril)
TeTse0%5%10%15%20%25%30%35%
0 4 8 12 16 20 24
20
26
32
38
44
50
56
62
6872
Temps (h)Te
mpé
ratu
re (°
C)
(°C
)
(b) Sud (Avril)
TeTse0%5%10%15%20%25%30%35%
(c) Est (Avril)
0 4 8 12 16 20 24
20
26
32
38
44
50
56
62
6872
Temps (h)
Tem
péra
ture
(°C
)
(°C
)
TeTse0%5%10%15%20%25%30%35%
0 4 8 12 16 20 24
20
26
32
38
44
50
56
62
6872
Temps (h)
Tem
péra
ture
(°C
)
(b) Sud (Avril)
TeTse0%5%10%15%20%25%30%35%
Annexes
114
(a) Nord (Mai)
0 4 8 12 16 20 2420
2530354045
505560657075
Temps (h)
Tem
péra
ture
(°C
)
(°C
)
TeTse0%5%10%15%20%25%30%35%
0 4 8 12 16 20 2420
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Temps (h)
Tem
péra
ture
(°C
)
(°C
)
(b) Sud (Mai)
TeTse0%5%10%15%20%25%30%35%
Temps (h)
(c) Est (Mai)
0 4 8 12 16 20 2420
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Tem
péra
ture
(°C
)
(°C
)
TeTse0%5%10%15%20%25%30%35%
Temps (h)
(d) Ouest (Mai)
0 4 8 12 16 20 2420
2530354045
505560657075
Tem
péra
ture
(°C
)
(°C
)
TeTse0%5%10%15%20%25%30%35%
Annexes
115
(a) Nord (Juin)
0 4 8 12 16 20 2420
25
30
35
40
45
50
55
60
65
Temps (h)
Tem
péra
ture
(°C
)
TeTse0%5%10%15%20%25%30%35%
0 4 8 12 16 20 2420
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Temps (h)
Tem
péra
ture
(°C
)
(b) Sud (Juin)
TeTse0%5%10%15%20%25%30%35%
Temps (h)
(c) Est (Juin)
0 4 8 12 16 20 2420
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Tem
péra
ture
(°C
)
TeTse0%5%10%15%20%25%30%35%
(d) Ouest (Juin)
0 4 8 12 16 20 24 20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Temps (h)
Tem
péra
ture
(°C
)
(°C
)
TeTse0%5%10%15%20%25%30%35%
Annexes
116
(a) Nord (Août)
0 4 8 12 16 20 2420
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Temps (h)
Tem
péra
ture
(°C
)
(°C
)
TeTse0%5%10%15%20%25%30%35%
Temps (h)0 4 8 12 16 20 24
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Tem
péra
ture
(°C
)
(°C
)
(b) Sud (Août)
TeTse0%5%10%15%20%25%30%35%
(c) Est (Août)
0 4 8 12 16 20 2420
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Temps (h)
Tem
péra
ture
(°C
)
(°C
)
TeTse0%5%10%15%20%25%30%35%
Temps (h)0 4 8 12 16 20 24
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75Te
mpé
ratu
re (°
C)
(°C
)
(d) Ouest (Août)
TeTse0%5%10%15%20%25%30%35%
Annexes
117
Temps (h)0 4 8 12 16 20 24
20
2530354045
505560657075
Tem
péra
ture
(°C
)
(°C
)
(a) Nord (Septembre)
TeTse0%5%10%15%20%25%30%35%
Temps (h)0 4 8 12 16 20 24
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Tem
péra
ture
(°C
)
(°C
)
(b) Sud (Septembre)
TeTse0%5%10%15%20%25%30%35%
(c) Est (Septembre)
0 4 8 12 16 20 2420
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Temps (h)
Tem
péra
ture
(°C
)
(°C
)
TeTse0%5%10%15%20%25%30%35%
Temps (h)0 4 8 12 16 20 24
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Tem
péra
ture
(°C
)
(°C
)
(d) Ouest (Septembre)
TeTse0%5%10%15%20%25%30%35%
Elaboration d'un matériau de construction en vue de l'isolation thermique des bâtiments
Résumé
Les charges de chauffage et de refroidissement des bâtiments sont la plupart du temps dues à la transmission de chaleur à travers l'enveloppe de bâtiment. Du point de vue d'économie d'énergie, la façon la plus efficace de réduire ces charges est de réaliser une isolation thermique à l'enveloppe de bâtiment, entre autres, en utilisant des matériaux à changement de phase. L'efficacité des systèmes de protection des murs dépend de plusieurs paramètres tels que l’orientation, les dimensions et leur fonctionnement thermique, vis à vis du climat. L'objectif de ce travail est d'étudier le comportement thermique d'une paroi en plâtre contenant trois types différents de MCPs (Eicosane, Na2CO3.10H2O et CaCl2.6H2O) avec des concentrations variables pour mettre en évidence l’importance de la quantité et la qualité de MCP et la détermination de la concentration optimale de l'isolation pour différentes orientations de mur sous les conditions climatiques de la ville de Ouargla. Les résultats indiquent que le CaCl2.6H2O donne des bons résultats comparé avec les autres MCPs étudiés. L'augmentation de pourcentage de MCP permet d'augmenter l'inertie thermique. Une étude d'optimisation technico-économique a permis d'obtenir une concentration optimale de 15% de CaCl2.6H2O et ce pour toutes les orientations. En plus, les orientations Ouest et Sud fournissent des charges de transmission de chaleur de refroidissements égaux qui sont le plus fortement comparés aux orientations de l'Est et du Nord. La charge de refroidissement la plus faible est donnée pour le mur exposé au nord et le temps de retour d'investissement pour les orientations Sud/ Ouest, Est, et Nord est respectivement de 10.51, 9.14 et 8.51 ans.
Mots-clés: bâtiments, économie d'énergie, MCPs, orientation, optimisation technico-économique.
Preparation of construction material for the thermo insulation of the buildings
Abstract
The heating and cooling loads of buildings are most of the time due to heat transfer through building envelope. From the point of view of energy saving, the most effective way to reduce these loads is to carry out thermo isolation with building envelope, between others, by using phase change materials. The effectiveness of walls protection systems depends on several parameters such as orientation, size and their thermal operation, with respect to the climate. The objective of this work is to study the thermal behavior of plaster wall containing three different types of MCP (Eicosane, Na2CO3.10H2O and CaCl2.6H2O) with variable concentrations to highlight the importance of quantity and quality of MCP and the determination of optimal insulation concentration for various wall orientations under the climatic conditions of Ouargla city (at south of Algeria). The results indicate that CaCl2.6H2O gives good performances compared with other MCPs. The increase in MCP percentage makes it possible to increase thermal inertia. Techno-economic optimization study made it possible to obtain an optimal concentration of 25% of CaCl2.6H2O for all wall orientations. Moreover, West and South orientations provide heat transfer loads at equal cooling which are most strongly compared with East and North orientations. The weakest cooling load is given by the wall exposed to the North and the payback period is for all wall orientations South/ West, East and North are respectively: 10.51, 9.14 and 8.51 years.
Key words: buildings, energy saving, MCPs, orientation, techno-economic optimization.
.نىاالمببناء من اجل العزل الحراري في ةتحضیر ماد
ملخص
من وجھة نظر االقتصاد في استھالك . التسرب الحراري عبر جدران و سقف ھذه البنایات بسببغالبا ، وتبرید البنایات تدفئةتنتج تكلفة تتغیر فاعلیة ھذه المواد بعدة عوامل . متغیرة الحالة وذلك باستخدام الموادبعزل الغالف الخارجي القیام الحل االمثل لتخفیض ھذه التكلفة ھو الطاقة
ختلفة الھدف من ھذا العمل ھو دراسة السلوك الحراري لجدار جبس یحتوي على ثالث انواع م.االبعاد، الخصائص الفزیائیة والمناخ، مثل االتجاهمختلفة التراكیز من اجل معرفة اھمیة الكمیة و النوعیة لھذه المواد ) CaCl2.6H2Oو Na2CO3.10H2O, Eicosane (من المواد متغیرة الحالة
یعطي CaCl2.6H2O النتائج أسفرت على ان. و تحدید التركیز االمثل للعازل في عدة جھات مختلفة للحائط تحت الظروف المناخیة لوالیة ورقلة الدراسة التقنیة االقتصادیة . مقارنة بالنوعین المدروسین و زیادة نسبة المواد متغیرة الحالة تسمح بزیادة الخمول الحراري أداء جید مقارنة مع
نفس كمیة اضافة الى ذلك الجھتین الغربیة والجنوبیة تملكان . في كل الجھات %15ھو CaCl2.6H2O المثالیة بینت بان التركیز المثالي لـ نلمس أقل كمیة ناتجة من الجدار الموجھ ناحیة الشمال و ، الحرارة المتسربة عبر الجدار أین نسجل أكبر كمیة مقارنة بالجھتین الشمالیة و الشرقیة
.سنة 8.51 و9.14 ، 10.51الشرقیة والشمالیة ھي على التوالي، الجنوبیة /مدة استرجاع ثمن االستثمار في كل الجھات الغربیة
. التقنیة االقتصادیة المثالیة، الجھة ، المواد متغیرة الحالة، اقتصاد الطاقة، البنایات :الكلمات الدالة
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