Les Matériaux à Changement de Phase (MCP) et leur utilisation dans le secteur du bâtiment

La recherche d’une alternative à la crise environnementale s’impose comme une nécessité pour lutter contre les problèmes environnementaux et préserver les ressources naturelles. En effet, le développement durable et la mise en place de véritables politiques constituent un axe majeur pour tenter de limiter l’impact de cette crise à moyen et à long terme. Il s’agit de remplacer l’utilisation des énergies émettrices de CO2 par des énergies renouvelables non-polluantes. Comparées aux autres sources d’énergie, ces sources sont disponibles en quantité illimitée [1].

La question de l’efficacité énergétique est au cœur des préoccupations des politiques énergétiques de nombreux pays. Beaucoup d’importance a été attachée à l’efficacité énergétique dans les bâtiments. En effet, en France le secteur du bâtiment est responsable d’environ 45 % de l’énergie finale consommée et 23 % des émissions de CO2 [29]. Face à ce problème, de nouvelles réglementations politiques ont été mises en œuvre afin d’améliorer les performances thermiques des systèmes « bâtiments » tout en assurant une meilleure gestion et rationalisation de la consommation d’énergie dans ce secteur. Il est nécessaire que ces réglementations, qui évoluent avec des objectifs liés à la réduction de la consommation énergétique, soient adaptées aux conditions spécifiques de chaque pays [1]. Dans ce sens, des efforts significatifs pour de nombreux pays développés et en voie de développement ont été déployés. La France, par exemple, est l’un des acteurs les plus importants qui s’est engagé depuis les années 1974 pour améliorer l’efficacité énergétique en France et dans le monde entier en favorisant l’accès aux énergies renouvelables. En effet, l’état français a mis en place des normes, des labels et des textes réglementaires tout comme les différentes réglementations thermiques qui répondent aux enjeux du Grenelle de l’environnement qui ont été définis en France. Ces dernières ont pour but de trouver un bon compromis entre les besoins et la production en matière d’énergie et visent à promouvoir et la recherche et l’innovation dans ce domaine en quête de solutions intelligentes et prometteuses pouvant contribuer à l’indépendance énergétique nationale [6, 7]. Ces réglementations sont adaptées à tout type de bâtiment et s’appliquent sur la construction des bâtiments neufs et à la rénovation des bâtiments existants afin de développer des bâtiments à énergie positive qui produisent davantage d’énergie que le bâtiment en consomme et qui nécessitent peu d’énergie grise pour leur construction, leur entretien et leur démolition [7, 8].

L’efficacité énergétique dans les bâtiments

D’ici 2050, la demande mondiale de l’énergie devrait doubler. Dans un même temps et afin de conserver l’environnement et lutter contre le réchauffement de la planète, il faut réduire de moitié les émissions de GES. Ainsi, l’efficacité énergétique est un critère clé dans la démarche globale de développement durable pour mieux maîtriser et rationaliser les besoins en matière d’énergie et pour satisfaire aux objectifs fixés. L’objectif de tout concept d’efficacité énergétique est la mise en place de solutions d’efficacité énergétique permettant de consommer moins et mieux tout en garantissant un bon niveau de confort thermique [11]. C’est pourquoi, il est nécessaire de sensibiliser les utilisateurs à leur consommation énergétique et de les impliquer activement dans la démarche de concrétisation de l’efficacité énergétique, en les incitant à revoir leurs pratiques et habitudes et à s’investir sans crainte dans l’utilisation des énergies renouvelables et des produits performants.

L’efficacité énergétique globale des bâtiments peut se faire à deux niveaux : «active» et “passive”. En effet, l’efficacité énergétique dite « active » touche à la régulation, la gestion et la supervision de l’énergie et la gestion technique du bâtiment. A contrario, l’efficacité énergétique dite « passive » vise à diminuer les besoins énergétiques à travers l’amélioration de l’isolation de l’enveloppe de bâtiment et sa perméabilité à l’air, la ventilation et les équipements de chauffage [11].

La gestion de l’énergie « active » dans un bâtiment est indispensable pour réduire la consommation énergétique d’un bâtiment à travers l’utilisation d’équipements ayant un meilleur rendement énergétique, l’intégration des énergies renouvelables qui permettent d’apporter les besoins d’un bâtiment en énergie, le suivi et l’affichage de la consommation énergétique au sein du bâtiment dans le temps [11, 12].

Il existe plusieurs techniques de gestion énergétique « passive » dans le bâtiment telles que la protection solaire et thermique des bâtiments, la technique de régulation thermique, la technique de dissipation de chaleur et la technique de récupération de chaleur. L’enveloppe d’un bâtiment stocke généralement une grande quantité d’énergie sous forme de chaleur. Sa capacité de stockage dépend des propriétés des matériaux constituants de cette enveloppe. Un bon choix de matériaux de construction permettra d’améliorer l’inertie thermique d’une paroi. Par ailleurs, l’un des facteurs permettant de réduire la consommation énergétique dans un bâtiment est l’utilisation de la lumière naturelle. L’orientation de ces façades ainsi que le confort thermique des occupants [11] ont une influence non-négligeable sur l’éclairage naturel. Cependant, il faut toujours l’optimiser. En effet, plus l’apport solaire est important, plus les besoins thermiques pour le chauffage et le risque d’un échauffement excessif l’été sont réduits plus il faut donc veiller à limiter ces apports solaires l’été. Ces défauts peuvent être compensés par l’isolation thermique hivernale et estivale.

L’isolation thermique hivernale permet de réduire les déperditions thermiques et par conséquent améliorer les apports thermiques dans la pièce. Cela est assuré par le recours à une forme bien compacte des bâtiments, la construction à plusieurs niveaux et l’utilisation d’isolants thermiques ayant une faible conductivité thermique tels que la mousse rigide de polystyrène, le chanvre, la laine de mouton, la laine de verre, la fibre de bois, le polystyrène expansé, etc. Par ailleurs, l’isolation thermique estivale permet d’éviter l’échauffement excessif des locaux. La température des locaux dépend essentiellement de l’orientation des façades, des dimensions des surfaces vitrées, du type de vitrage et de la protection solaire. Une conception et un choix judicieux de ces paramètres contribuent à la réduction de l’énergie consommée afin de maintenir un niveau de température acceptable dans les locaux. En effet, le recours à des vitrages à isolation renforcée, dont la surface vitrée ne dépasse pas 30 % de la surface de la façade, permet d’améliorer significativement l’isolation estivale [12]. L’utilisation des isolants dans une construction est primordiale afin de maintenir un bon niveau confort thermique des occupants quelle que soit la saison. Cependant, leur utilisation abusive provoque parfois la sensation d’inconfort thermique. Les défauts des isolations ainsi que l’inertie thermique du bâtiment peuvent être corrigés par l’utilisation de nouveaux matériaux tels que les matériaux à changement de phase assurant un bon niveau de confort thermique l’hiver comme l’été [11, 12].

Les Matériaux à Changement de Phase (MCP)

Depuis des décennies, des études ont été menées afin de chercher des nouvelles techniques permettant de réduire de façon considérable les émissions de CO2. Parmi les solutions proposées, la réduction de la consommation énergétique dans le secteur des bâtiments s’est avérée être l’une des clés prometteuses pour répondre à ces objectifs. Aujourd’hui, le stockage de l’énergie par chaleur latente présente des avantages certains pour les constructions modernes à basse consommation d’énergie. Ces constructions ont la capacité de réduire les consommations de chauffage en hiver grâce à leur faible inertie. Cependant, ces bâtiments se heurtent souvent à des problèmes de surchauffe en été dégradant ainsi les conditions de confort thermique des usagers. A cet égard, les MCP se sont affirmés comme de bons candidats pour la conception et la rénovation des bâtiments permettant ainsi d’améliorer le confort thermique d’été et de réduire la consommation d’énergie. Beaucoup d’études ont été menées sur les MCP pour l’identification de leurs caractéristiques thermo-physiques et leur effet quand ils sont incorporés dans une paroi.

Description

Les matériaux souvent utilisés pour le stockage par chaleur latente sont appelés Matériaux à Changement de Phase (MCP). Ces matériaux sont capables de changer d’état physique   sur une large plage de température et leur réactivité repose sur un principe physique simple [13, 19] : Lorsque la température environnante est égale à la température de fusion des MCP, ces derniers changent de phase en se liquéfiant et absorbent l’énergie par chaleur latente. Lorsque la température environnante chute, les MCP se cristallisent en restituant l’énergie qu’ils ont stockée.

Une description détaillée des avantages et des inconvénients des différents types des MCP est donnée dans les travaux de [21]. La présente thèse s’intéresse particulièrement aux MCP organiques adaptés à la problématique des bâtiments. Ces matériaux sont chimiquement stables, simples à mettre en œuvre et contribuent à un renforcement thermique de la structure grâce à leur forte chaleur latente qu’ils échangent au moment de changement de phase. De plus, ces matériaux présentent des températures de fusion dans la gamme de température du confort thermique des bâtiments et une faible variation de volume [13]. Les MCP réduisent également la consommation de chauffage l’hiver et les besoins en climatisation en été en stockant le surplus de chaleur et en restituant la chaleur emmagasinée. Cependant, les MCP présentent aussi quelques inconvénients à savoir : la surchauffe, la perte d’eau d’hydratation, la corrosion (compatibilité avec les matériaux de construction), l’inflammabilité, etc.

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Table des matières

Nomenclature
Introduction
Chapitre 1 : Les Matériaux à Changement de Phase (MCP) et leur utilisation dans le secteur du bâtiment
1.1. Contexte
1.1.1. L’efficacité énergétique dans les bâtiments
1.1.2. Le stockage par chaleur sensible et par chaleur latente
1.2. Les Matériaux à Changement de Phase (MCP)
1.2.1. Description
1.2.2. Procédés d’encapsulation
1.2.3. Les MCP organiques à base de paraffine
1.2.4. Les domaines d’application
1.2.5. Exemple des MCP commerciaux
1.3. Les MCP dans les matériaux de construction : applications et réalisations
1.3.1. Quelques réalisations et retour d’expériences
1.3.2. Problématiques et verrous scientifiques
1.3.3. Bilan et axes de recherche
1.4. Conclusions
Chapitre 2 : Identification des propriétés thermo-physiques des MCP, Description et Mise en place des protocoles d’essais
2.1. Matériaux et méthodes de mesure
2.1.1. Matériaux
2.1.2. Mesures physiques
2.1.2.1. Analyse granulométrique
2.1.2.2. Observations microscopiques
2.1.2.3. Mesure de la masse volumique absolue et apparente
2.1.2.4. Mesure du coefficient d’absorption
2.1.3. Mesures thermiques
2.1.3.1. Analyse thermogravimétrique (ATG) et mesure de perte de masse
2.1.3.2. Analyse thermique par DSC, étude paramétrique de la masse et la cinétique de chauffe.
2.1.3.3. Mesure de la conductivité thermique
2.2. Résultats de mesures physiques
2.2.1. Caractéristiques morphologiques des MCP (Distribution granulométrique et microstructure)
2.2.2. Masse volumique et Coefficient d’absorption
2.3. Résultats de mesures thermiques
2.3.1. Propriétés thermodynamiques et calage paramétrique
2.3.2. Diffusivité et conductivité thermiques
2.3.3. Influence de l’endommagement des MCP sur leurs propriétés thermophysiques, étude comparative
2.4. Conclusions
Chapitre 3 : Identification des propriétés thermiques et mécaniques des bétons-MCP
3.1. Plan expérimental
3.1.1. Formulation des mortiers et des bétons étudiés
3.1.2. Essais de caractérisation des bétons étudiés
3.1.2.1. Mesure de l’affaissement (état NAT et DAM des MCP)
3.1.2.2. Méthode modifiée pour la mesure de la chaleur d’hydratation
3.1.2.3. Résistance à la compression
3.1.2.4. Propriétés thermiques des bétons-MCP
3.2 Etude de l’hydratation des mortiers-MCP 100
3.2.1 Effet des MCP sur la réaction d’hydratation
3.2.2 Effet de l’endommagement des MCP sur la réaction d’hydratation
3.3 Propriétés physiques et mécaniques des bétons-MCP
3.3.1 Microstructure des bétons-MCP
3.3.2 Affaissement des bétons-NAT et des bétons-DAM
3.3.3 Résistance mécanique : effet temps et microstructure
3.3.4 Prédiction par la loi de Féret de la résistance mécanique des bétons-MCP
3.4 Propriétés thermiques des bétons-MCP avant et après vieillissement
3.4.1 Cas du Béton-NAT
3.4.2 Cas du Béton-DAM
3.5 Conclusions
Chapitre 4 : Modélisation micro-macro de la conductivité thermique des bétons-MCP, approche stochastique et modélisation probabiliste paramétrique des incertitudes
4.1. Approche multi-échelle de la conductivité thermique
4.1.1. Démarche et modèles d’homogénéisation
4.1.2. Résultats et interprétations
4.1.3. Conclusions
4.2. Etude stochastique et probabiliste paramétrique des incertitudes
4.2.1. Notions des erreurs et des incertitudes de mesure
4.2.2. Construction du modèle probabiliste
4.2.3. Variables aléatoires et construction des lois de probabilités des champs stochastiques
4.2.4. Confrontation du modèle probabiliste au modèle moyen micro-macro
4.3. Conclusion
Chapitre 5 : Etude numérique par la Méthode des Volumes finis (MVF) d’une paroi en béton à changement de phase
5.1. Méthode des volumes finis
5.1.1. Description et mise en équations
5.1.2. Méthodes de résolution du problème de transfert avec changement de phase
5.2. Description du modèle numérique
5.2.1. Géométrie, Maillage et outil de résolution
5.2.2. Validation du modèle numérique et optimisation du maillage
5.3. Simulation numérique de la paroi en béton-MCP
5.3.1. Les cas d’étude
5.3.2. Résultats et interprétation
5.3.2.1. Condition dirichlet
5.3.2.2. Convection naturelle
5.3.2.3. Condition mixte
5.3.2.4. Conclusions
Conclusion

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