ÉTUDE DE L’INJECTION D’UN MATÉRIAU À CHANGEMENT DE PHASE DANS UNE ENVELOPPE DE VERRE

Abstract

Ce travail constitue une première contribution solide à la recherche sur les MCP biosourcés pour l'enveloppe du bâtiment en Algérie. Il ouvre la voie à un programme de recherche structuré alliant formulation de matériaux verts, modélisation multi-physique et validation en conditions climatiques réelles, contribuant ainsi aux objectifs nationaux de transition énergétique et d'efficacité dans le secteur du bâtiment. Ce travail de fin d'études porte sur l'intégration d'un matériau à changement de phase (MCP) biosourcé dans des briques de verre, dans le but d'améliorer les performances thermiques des parois de bâtiment par stockage d'énergie latente. Le MCP étudié est élaboré à partir d'un mélange d'huile végétale locale (huile de soja), de cire d'abeille et de paraffine RT50, offrant ainsi un caractère écologique, renouvelable et à faible impact environnemental. La préparation des échantillons a suivi un protocole rigoureux de fusion-mélange à 80 °C sous agitation magnétique à 1000 tr/min, assurant l'homogénéité et la stabilité thermique du composite. Les propriétés thermo-physiques du MCP ont été déterminées par voie analytique en raison de l'indisponibilité d'appareillage spécialisé (DSC). Le dispositif expérimental consiste en deux enceintes — une chaude (régulée à 50 °C) et une froide (température ambiante stable) — séparées par un mur composite verre/MCP/verre. Cinq capteurs de température (T₁ à T₅) positionnés stratégiquement permettent de suivre l'évolution du champ thermique à travers la paroi multicouche. Les résultats expérimentaux mettent en évidence l'efficacité remarquable du système composite. Un gradient thermique total de ~26 °C est généré entre la source et le puits, avec une atténuation de l'excursion thermique côté froid supérieure à 75 % et une réduction globale de l'amplitude de 69 % entre T₁ et T₅. Un déphasage thermique de 40 à 90 minutes est observé, traduisant la capacité d'inertie thermique du système. Le plateau de fusion du MCP, identifié dans la plage 28–43 °C et d'une durée de ~120 minutes, confirme le stockage latent actif. Le MCP a emmagasiné 69,3 kJ, dont 73,6 % sous forme latente, avec un taux de restitution de 95,4 % sur 420 minutes. La résistance thermique totale du mur composite atteint 1,43 K/W, réduisant sensiblement le flux thermique transmis vers la zone froide. La répétabilité des mesures sur trois cycles consécutifs (écarts < ±1 °C) confirme la stabilité thermomécanique du système. Ces résultats positionnent le système verre/MCP biosourcé comme une solution prometteuse et durable pour la gestion passive de l'énergie thermique dans les bâtiments bioclimatiques et les applications de stockage d'énergie solaire. Mots-clés : Matériau à changement de phase (MCP) biosourcé ; Brique de verre ; Stockage thermique latent, Energie stockée ; Efficacité ; Cire d'abeille ; Huile de soja ; Paraffine RT50. Résumé : 2 Abstract: This research offers the first substantial contribution to studying bio-based phase change materials (PCMs) for Algeria's building envelopes. It sets the stage for a systematic research initiative that will blend the creation of green materials, multiphysics modeling, and real-world climate validation. Such an approach supports Algeria's energy transition and building efficiency goals. Honestly, this graduation project zeros in on embedding a bio-based PCM into glass bricks to boost wall thermal performance by storing latent heat energy. The phase change material (PCM) we looked at came from mixing local soybean oil, beeswax, and RT50 paraffin. It is an eco-friendly option, made from renewable stuff, and should not harm the environment much. Getting the samples ready involved a strict melt-and-mix process. We heated it all to 80 °C, stirring at 1000 rpm with a magnetic stirrer. That way, we made sure the composite was uniform and held up thermally. We figured out the PCM's physical properties using calculations 'cause we did not have access to specialized gear like DSC. The setup has two chambers. One is hot, kept at 50 °C, and the other is cold, sitting at a steady ambient temperature. A wall made of glass, PCM, and more glass divides them. Five temperature sensors—T₁ through T₅—are placed carefully to track how the heat moves through that layered wall. The results from our tests really point to how well this composite system works. They got a temperature difference of roughly 26 degrees Celsius between the heat source and the sink. Turns out, the cold side's thermal fluctuations dropped by over 75 percent. Overall, the amplitude between T₁ and T₅ was cut by 69 percent. They also saw a thermal phase shift, moving from 40 minutes to 90 minutes. That kind of shift really points to how much thermal inertia the system is got. The PCM hit its melting plateau somewhere between 28 and 43 degrees Celsius, sticking there for about two hours. This pretty much confirms it is actively storing latent heat. They figured the PCM tucked away 69.3 kilojoules of energy, and that figure includes 73 units. This system shows about 6% existing in a latent state. It takes 420 minutes to reach a 95.4% recovery rate. The composite wall’s overall thermal resistance hits 1.43 K/W. Those figures really help cut down the heat flux heading into the cold zone. We have run it through three cycles, and the measurements' repeatability signals strong thermo mechanical stability for the system. We are seeing deviations under ±1 °C, which is tight. Honestly, these results make this bio-based glass/PCM system look like a promising, sustainable bet for passive thermal management in bioclimatic buildings, not to mention solar energy storage. Keywords: Bio-based phase change material (PCM); Glass brick; Latent thermal storage; Stored energy; Efficiency; Beeswax; Soybean oil; RT50 paraffin. Résumé : 3 الملخص: يُعد هذا العمل مساهمة أولية مهمة في مجال البحث حول المواد متغيرة الطور (MCP (ذات المصدر الحيوي المخصصة ألغلفة المباني في الجزائر. كما يفتح المجال أمام برنامج بحثي منظم يجمع بين تطوير المواد البيئية، ونما ذج متعددة الفيزياء، والتحقق التجريبي تحت ظروف مناخية حقيقية، مما يساهم في تحقيق األهداف الوطنية المتعلقة باالنتقال الطاقوي ورفع كفاءة الطاقة في قطاع البناء. يركز مشروع التخرج هذا على دمج مادة متغيرة الطور (MCP (ذات مصدر حيوي داخل الطوب الزجاجي بهدف تحسين األداء الحراري ا من مزيج من الزيت النباتي المحلي لجدران المباني من خالل تخزين الطاقة الحرارية الكامنة. وقد تم تطوير المادة المدروسة انطالقً )زيت الصويا(، وشمع العسل، وبارافين50RT ، مما يمنحها طابعًا بيئيًا ومتجددًا ذا تأثير منخفض على البيئة. تم تحضير العينات وفق بروتوكول دقيق يعتمد على االنصهار والخلط عند درجة حرارة 80 °م تحت تحريك مغناطيسي بسرعة 1000 دورة/دقيقة، بما يضمن تجانس واستقرار المركب حراريًا. وتم تحديد الخصائص الحرارية الفيزيائية للمادة بطريقة تحليلية نظ ًرا لعدم توفر أجهزة متخصصة مثل جهاز .DSC يتكون الجهاز التجريبي من حجرتين: حجرة ساخنة يتم ضبطها عند 50 °م، وحجرة باردة بدرجة حرارة محيط مستقرة، يفصل بينهما جدار مركب من زجاج/مادة متغيرة الطور/زجاج. كما تم تثبيت خمسة مجسات حرارية ₁T (إلى (₅T في مواقع استراتيجية لمتابعة تطور المجال الحراري عبر الجدار متعدد الطبقات. أظهرت النتائج التجريبية الكفاءة العالية للنظام المركب، حيث تم توليد تدرج حراري إجمالي يقارب 26 °م بين المصدر الحراري والمصب الحراري، مع تخفيض في التذبذبات الحرارية على الجانب البارد تجاوز 75 ،% وانخفاض إجمالي في السعة الحرارية بنسبة 69 % بين ₁T و ₅.Tكما لوحظ تأخر حراري يتراوح بين 40 و90 دقيقة، ما يعكس قدرة النظام على تحقيق العطالة الحرارية. وأكدت مرحلة انصهار المادة، المحددة ضمن المجال الحراري 28–43 °م ولمدة تقارب 120 دقيقة، وجود تخزين حراري كامن فعّال. وقد خزنت المادة 69.3 كيلوجول من الطاقة، منها 73.6 % على شكل طاقة كامنة، مع معدل استرجاع بلغ 95.4 % خالل 420 دقيقة. كما بلغت المقاومة الحرارية الكلية للجدار المركب 1.43 كلفن/واط، مما ساهم في تقليل انتقال التدفق الحراري نحو المنطقة الباردة بشكل ملحوظ. وأثبتت قابلية تكرار القياسات خالل ثالث دورات متتالية )بانحراف أقل من 1± °م( االستقرار الحراري والميكانيكي للنظام . تُبرز هذه النتائج نظام الزجاج/المادة متغيرة الطور ذات المصدر الحيوي كحل واعد ومستدام لإلدارة السلبية للطاقة الحرارية في المباني البيومناخية، وكذلك في تطبيقات تخزين الطاقة الشمسية. الكلمات المفتاحي ة: المواد متغيرة الطور ذات المصدر الحيوي؛ الطوب الزجاجي؛ التخزين الحراري الكامن؛ الطاقة المخزنة؛ الكفاءة؛ شمع العسل؛ زيت الصويا؛ بارافين50.R