Étude de la convection naturelle dans une enceinte avec des parois contenant des matériaux à changement de phase

Abstract

Résumé L'utilisation des matériaux à changement de phase (MCP) dans le domaine du bâtiment a connu un intérêt croissant au cours des dernières années. Cette solution est considérée comme une alternative afin d’améliorer le confort thermique des occupants. Ceci permettra de fournir à la fois une régulation des fluctuations de température intérieure des locaux et d’assurer une utilisation énergétique optimale. Dans ce travail, une étude numérique des effets de l’intégration des MCP dans les matériaux de construction conventionnels a été présentée. Une proposition d’une paroi de brique creuse, souvent privilégiée en construction du bâtiment en Algérie, est chargée avec MCP et analysée numériquement du point de vue des propriétés thermo-physiques et énergétiques. Cette étude est présentée sous quatre étapes : La première est consacrée au calcul des propriétés thermophysiques et l’estimation de la quantité d’énergie stockée par une brique creuse remplie avec un MCP. Les résultats ont montré clairement l'amélioration de l'inertie de la brique proposée, à savoir une diminution de la température de la surface intérieure et une augmentation de l'énergie thermique stockée par rapport au cas de référence (sans MCP). La deuxième étape, est focalisée sur l’énergie stockée sous forme de chaleur latente par la brique et en la comparant à celle stockée par un bloc de parpaing. Les résultats révèlent que le MCP améliore l'inertie thermique en réduisant les fluctuations de la température au niveau de la surface intérieure. De plus, avec l'augmentation de la quantité du MCP, l’efficacité de l’isolation thermique du matériau devient plus efficace en stockant plus d'énergie sous forme de chaleur latente. La troisième consiste à étudier l'influence des différents facteurs de conception. En l’occurrence, la quantité optimale, l'emplacement optimal et le type du MCP sur la performance thermique de cette paroi, sous contrainte des conditions extérieures réelles. Les résultats ont révélé que la performance thermique optimale de la paroi est obtenue lorsque le MCP est installé juste dans la rangé vide de la brique et non loin de l’espace intérieur. D’autre part, le choix approprié du type de MCP exige que sa température de changement de phase soit proche de celle de l’air ambiant. La quatrième partie consiste à étudier numériquement l’influence de la paroi proposée dans les échanges thermiques au sein d’une enceinte fermée, simulant une habitation. Les conditions extérieures proposées durant cette simulation ont été sélectionnées en adéquation avec la nature du climat chaud en période d’été. Les résultats ont montré que la présence du MCP représente une solution efficace pour la rénovation énergétique des bâtiments. Sa fonction principale réside dans le maintien d’une température intérieure adaptée aux conditions d’un confort thermique. Cette situation se manifeste par une régression des gains thermiques vers l’intérieur, ce qui engendre la réduction de l’évolution de la température au niveau de la surface intérieure. Par conséquent, l’incorporation du MCP dans l’une des parois de l’habitat réduit les fluctuations de températures intérieures. Son efficacité est également dans sa capacité de conservation d'énergie dans le bâtiment, réduisant ainsi les échelles d'équipement de conditionnement d’air et les coûts d'investissement.

Abstract The application of phase change materials (PCMs) in the building sector has experienced a growing interest in recent years. This solution is considered as an alternative to improve the thermal comfort of the inhabitants. This will provide both regulation of interior temperature space fluctuations and ensure optimum use of energy. In this work, a numerical study on the effects of the integration of PCM in conventional building materials is presented. A proposal for a hollow brick wall, often favored in building construction in Algeria, is loaded with PCM and analyzed numerically from the standpoint of thermos physical and energy properties. The study is presented in four stages: The first was devoted to the calculation of the thermos physical properties of the hollow brick incorporated with PCM and the estimate of the quantity of energy stored. The results clearly showed the improvement in the inertia of the proposed brick, namely a decrease in the temperature of the inner surface and an increase in the stored thermal energy compared to the reference case (without PCM). The second part, focus on the energy storage by latent heat in two different building materials that has been selected according to their usual applying as construction materials for residential buildings. The numerical results have been checked and validated with an experimental model and the error is estimated. The results reveal the potential of PCM in the enhancement on the thermal inertia of the wall and effectively reduced the fluctuation of the interior surface temperature. In addition, with the increasing filling amount of PCM, the thermal response of the building material will be more effective through improving its thermal insulation and stored more of energy as a latent heat. The third is to study the influence of different design factors such as, the optimal quantity, the optimal location and the type of the MCP on the thermal performance of this wall, under constraint of the real external conditions. The results revealed that the optimal thermal performance of the hollow brick wall is obtained when the PCM is installed just in the empty row of the brick and not far from the interior space. On the other hand, the proper choice of the type of MCP requires that its phase change temperature be close to that of the ambient. The fourth part consists of studying numerically the influence of the proposed wall in thermal exchanges within a closed enclosure, simulating a dwelling. The external conditions proposed during this simulation have been selected in line with the nature of the hot climate during the summer period. The results showed that the addition of PCM represents an effective solution for the energy renovation of buildings. Its main function is to maintain an indoor temperature adapted to the conditions of thermal comfort. This situation is manifested by a regression of the thermal gains inward, which causes the reduction of the evolution of the inner surface temperature. Therefore, incorporation of PCM into one of the walls of building reduces indoor temperature fluctuations. Its efficiency is also in its ability to conserve energy, thus reducing the scales of air conditioning equipment and investment costs.

ملخص لقى تطبيق مواد متغيرة الطور )PCM )في قطاع البناء اهتماما متزايدا في السنوات األخيرة .ويعتبر هذا الحل كبديل من أجل تحسين الراحة الحرارية للسكان. وهذا سيوفر كال من تنظيم تقلبات درجات الحرارة في الداخل مما يضمن االستخدام األمثل للطاقة في هذا المجال. خالل هذا العمل، يتم عرض دراسة عددية آلثار دمج PCM داخل مواد البناء التقليدية. من اجل ذلك تم دمج PCM داخل جدار من الطوب االحمر المجوف، والذي غالبا ما يستعمل في بناء المباني في الجزائر، هذا النموذج تم دراسته من وجهة نظر خصائص الحرارية و الطاقية. مرت الدراسة على اربع مراحل: األولى خصصت لحساب الخصائص الفيزيائية الحرارية للطوب المجوف المتضمن PCM وتقدير كمية الطاقة المخزنة من قبل األخير. وأظهرت النتائج بوضوح تحسن في القصور الذاتي للطوب المقترح، حيث الحظنا انخفاض درجة حرارة السطح الداخلي وزيادة في الطاقة الحرارية المخزنة وهذا بالمقارنة مع الحالة المرجعية )بدون PCM .) الجزء الثاني يهتم بمقارنة اداء نوعين مختلفين من مواد بناء في تخزين طاقة حرارية على هيئة طاقة كامنة. النتائج اظهرت قدرة PCM على تحسين العزل الحراري وذلك بتخفيض التقلبات الحرارية على مستوى المساحة الداخلية لكال المادتين. إضافة الى ذلك الحظنا ان زيادة كمية PCM تؤدي الى تقوية السعة الحرارية للحائط. الجزء الثالث هو دراسة تأثير العوامل المختلفة من التصميم، مثل كمية والموقع ونوع PCM المستعمل على األداء الحراري للجدار، في ظل ظروف خارجية حقيقية. أظهرت النتائج أن األداء الحراري األمثل للجدار الطوب المجوف يتتم الحصتول عليته عنتدما يتتم تثبيتت PCM فقتط فتي ت فتارغ متن الطوب وليس بعيدا عتن المستاحة الداخليتة. متن ناحيتة أخترى، فتالن االختيتار الصتحيح لنتوع PCM يتطلت أن تكتون درجتة حترارة تغيتر الطور قريبة من درجة حرارة المحيط. ويتأل الجزء الرابع من دراسة عددية لتأثير الجدار المقترح على التبادالت الحرارية داخل غرفة مغلقة وذلك من اجل محاكاة مبنى سكني . وقد تم اختيار الظروف الخارجية المقترحة خالل هذه المحاكاة تمشيا مع طبيعة المناخ الحار لمدينة تيميمون خالل فترة الصي .وأظهرت النتائج أن وجود PCM يمثل حال فعاال لتجديد الطاقة للمباني .وتتمثل وظيفتها الرئيسية في الحفاظ على درجة حرارة داخلية مع ظروف الراحة الحرارية .ويتضح هذا الوضع من خالل انخفاض التسربات الحرارية باتجاه الداخل، مما يؤدي إلى الحد من تطور درجة الحرارة على مستوى السطح الداخلي .ولذلك، فالن دمج PCM في واحد جدران المبنى يقلل من تقلبات درجات الحرارة في المساحة الداخلية حيث تنعكس كفاءته أيضا في قدرته على الحفاظ على الطاقة في المبنى، مما يقلل من استخدام معدات تكيي الهواء وايضا ينقص من تكالي االستثمار