Page de garde verte

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 :


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


concentrations différentes (cas: Na2CO3.10H2O)

85


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


intérieure en fonction de la concentration (Cas: Na2CO310H2O)

86


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


MCP)

89

V.8 La comparaison entre la valeur maximale et la valeur minimale de la


MCP)

89

V.9 Les prix de chaque composé étudié 90

V.10 Les paramètres utilisés dans les calculs 101

INTRODUCTION GENERALE

Introduction générale

1


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.


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.


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


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.


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


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.


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.


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


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'ENERGIE

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.


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


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


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


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].


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)


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].


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.


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].


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].


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].


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 :


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


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].


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].


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


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


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.

CHPITRE III

GENERALITES SUR

LES MATERIAUX A

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).


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].


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


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


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


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


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.


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


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


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]:


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


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]:


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].


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].


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


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


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


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


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.


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.


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)


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].


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].


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

THEORIE DE LA

MODILISATION


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].


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.


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].


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].


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].


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].


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


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


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


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.


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

→ ∞ → ∞


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 → ∞ , → ∞


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


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].


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


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].


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

CHPITRE V

SIMULATION

NUMERIQUE


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


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.


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


Préc

ipita

tions

(mm

)

Précipitations (mm)


73


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


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


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)


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

)


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.


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


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)


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)


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


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]


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.


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)


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


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


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


CaCl2.6H2O

0 4 8 12 16 20 2420

24

28

32

36

40

44

Temps (h)

Tem

péra

ture

(°C)



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


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


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.


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


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


89



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



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.


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


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).


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


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.


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


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


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%


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)


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


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


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 (%)


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.


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


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

GENERALE

Conclusion générale

104


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


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


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.

BIBLIOGRAPHIE

106

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ANNEXES

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

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Temps (h)

Tem

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(b) Sud (Juin)

TeTse0%5%10%15%20%25%30%35%

Temps (h)

(c) Est (Juin)

0 4 8 12 16 20 2420

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30

35

40

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55

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Tem

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)

TeTse0%5%10%15%20%25%30%35%

(d) Ouest (Juin)

0 4 8 12 16 20 24 20

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45

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70

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Temps (h)

Tem

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Annexes

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(a) Nord (Août)

0 4 8 12 16 20 2420

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Temps (h)

Tem

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ture

(°C

)

(°C

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Temps (h)0 4 8 12 16 20 24

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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

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45

50

55

60

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75

Temps (h)

Tem

péra

ture

(°C

)

(°C

)

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Temps (h)0 4 8 12 16 20 24

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75Te

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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

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(°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

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50

55

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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

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(°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%


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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