Comportement thermique des bâtiments à parois incorporant les matériaux à changement de phase

Abstract

Les matériaux à changement de phase (MCP) ont la capacité d'absorber ou de libérer une grande quantité de chaleur latente, pendant leur changement de phase, pour améliorer le confort thermique et réduire la consommation d’énergie dans les bâtiments. Ce travail de thèse a pour but de faire une étude numérique et expérimentale pour tester l'influence de l'intégration des MCP dans les matériaux de construction sur le comportement thermique des bâtiments en Algérie. Dans ce but, une étude numérique a été effectuée sur le comportement thermique de parois composées des matériaux de construction utilisés en Algérie et de parois dans lesquelles est incorporé un matériau à changement de phase. Le modèle, basé sur la formulation enthalpique, est décrit par une équation de transfert de chaleur. Cette équation est résolue par une méthode implicite aux différences finies pour étudier le transfert de chaleur à travers une paroi intégrant un matériau à changement de phase (MCP). Les résultats numériques ont permis d’analyser l'influence de l'épaisseur de la paroi et de sa composition ainsi que l’effet des matériaux MCP sur l'évolution au cours du temps de la température de la face interne de la paroi. Ensuite, une investigation expérimentale est réalisée sur une nouvelle utilisation des matériaux à changement de phase (MCP) comme enduit recouvrant des parois en béton et en briques creuses pour étudier l’influence de l’intégration des MCP sur le comportement thermique des cellules et sur l'amélioration du confort thermique sous le climat de l’Algérie. Des essais de flexion, de compression, d’adhésion et de dureté ont été réalisés à 7 jours d’âge sur un matériau composite plâtre/MCP. Différents pourcentages de matériau à changement de phase MCP ont été utilisés pour déterminer la composition optimale (plâtre/MCP). Le matériau à changement de phase utilisé est une paraffine encapsulée sous forme de poudre, deux types de paraffines ont été utilisés (le DS 5001 avec une température de fusion de 26°C et le DS 5008 avec une température de fusion de 23°C). Des mesures in-situ ont été réalisées pour déterminer la température de l'air et des parois de trois cellules; l'une construite avec des matériaux classiques et les deux autres avec un matériau composite plâtre/MCP. Les cellules sont implantées dans la région d’Alger. Les résultats des mesures montrent que l'utilisation d'un enduit en plâtre intégrant 30 % MCP contribue à une réduction de l’amplitude (diurne/nocturne) de la température de l’air à l'intérieur de la cellule de 4°C en période d'été. L'utilisation de MCP a permis aussi d'améliorer le confort thermique et d'augmenter la température maximale des cellules de 2°C en période d'hiver. Enfin, à l’aide du logiciel TRNSYS, une simulation thermique en régime dynamique a été effectuée pour comparer le comportement thermique d'un local à usage de bureau à parois de type classique avec un local à parois incorporant des matériaux à changement de phase (MCP) en utilisant le type 204. La simulation a été effectuée, pour différentes zones climatiques en Algérie, sur un bureau au dernier étage, de 3,5 m de longueur, 3 m de largeur et 3 m de hauteur. Les résultats de la simulation montrent que l'utilisation des matériaux à changement de phase dans le plafond en béton et les murs en briques creuses a permis d'augmenter la température du bureau de 3 à 4°C en période d'hiver. Les résultats montrent aussi que la présence des matériaux à changement de phase dans les parois a réduit la surchauffe en période d'été, en diminuant la température de l'air de 7°C.