Analyse numérique des performances thermiques d’une paroi à base de matériaux à changement de phase

Abstract

La consommation d'énergie dans les bâtiments représente plus de 40 % de la consommation totale d'énergie en Algérie, l'enveloppe du bâtiment étant la principale source de pertes thermiques. Ces dernières années, de nombreuses recherches ont exploré les avantages de l'intégration passive des matériaux à changement de phase (PCM) dans les murs des bâtiments. Cette approche constitue une solution prometteuse pour améliorer le confort thermique intérieur en régulant les fluctuations de température et en optimisant l'utilisation de l'énergie. Cette étude porte sur les matériaux à changement de phase organiques biosourcés (BO-PCM) comme alternatives durables aux PCM à base de pétrole couramment utilisés dans la construction. L’objectif est d’identifier les PCM biosourcés les plus adaptés, minimisant les coûts et l’impact environnemental tout en garantissant une efficacité élevée et des performances thermiques optimales. Des mélanges eutectiques d’acides gras, spécifiquement 70 % d’acide myristique et 30 % d’acide stéarique, ont été identifiés comme des alternatives économiques et écologiques prometteuses. Ces matériaux présentent des températures de cristallisation et de fusion comprises entre 35°C et 35,5°C, ce qui les rend viables pour le stockage de chaleur latente en remplacement des PCM pétroliers. Leurs propriétés thermophysiques favorables, leur faible coût, leur origine renouvelable et leur densité énergétique comparable en font de solides candidats pour des solutions de construction durables. Un PCM biosourcé sélectionné, ayant une plage de fusion et de solidification de 35,5°C à 35°C, une capacité thermique latente de 240,1 kJ/kg et des conductivités thermiques moyennes de 0,17 W/(m·K) à l'état solide et 0,15 W/(m·K) à l'état liquide, a été intégré aux matériaux de construction pour améliorer l'efficacité énergétique en réduisant les échanges thermiques et en stabilisant les températures intérieures. L’analyse numérique a été réalisée à l’aide du logiciel COMSOL Multiphysics V6.0 afin de résoudre les équations différentielles partielles régissant le phénomène et d’évaluer l’efficacité de l’intégration du PCM dans les matériaux de construction. Cette étude explore également le développement d’un composite biosourcé à base de fibers de palmier dattier. Ces fibers ont été imprégnées sous vide avec un mélange eutectique d’acide myristique et d’acide stéarique (MA-SA) à un taux d’incorporation de 52,39 %, produisant un composite stabilisé utilisé pour des briques en adobe enrichies en PCM. Les propriétés thermiques des matériaux ont été caractérisées par calorimétrie différentielle à IV balayage (DSC), analyse thermogravimétrique (TGA) et Analyseur de conductivité thermique (TCi). Les résultats DSC ont révélé que le composite MA-SA/DPF présentait des températures de fusion et de solidification de 35,5°C, avec des enthalpies de fusion et de solidification respectives de 240,1 J/g et 124 J/g. L’analyse TGA a confirmé la stabilité thermique du composite jusqu'à 125°C, ce qui le rend adapté aux applications de construction. Les performances thermiques des briques en adobe enrichies en PCM ont été évaluées dans deux conditions différentes. Une étude numérique a été menée pour évaluer l’impact de l’intégration des PCM dans les matériaux de construction conventionnels. Un mur en briques creuses avec 8 et 12 cavités, couramment utilisé dans la construction en Algérie, a été proposé et analysé avec différentes configurations de placement du PCM. Les résultats ont montré une amélioration significative de l’inertie thermique du mur, illustrée par une réduction de la température de surface intérieure par rapport au cas de référence sans PCM. De plus, l’étude a examiné le positionnement optimal du PCM dans le mur de briques dans des conditions réelles extérieures. Les résultats ont indiqué que la meilleure performance thermique était obtenue lorsque le PCM était placé dans la rangée vide de la brique, proche de la surface extérieure. L’analyse numérique de l’intégration des PCM biosourcés dans les murs des bâtiments en Algérie a mis en évidence une amélioration considérable de la capacité de stockage d’énergie durant l’été dans différentes villes. L’impact sur la performance de stockage énergétique variait selon les conditions climatiques, avec une réduction notable des températures de pointe à l’intérieur : jusqu’à 2,4°C à Adrar, 2,1°C à Tindouf et 1,6°C à Aïn Salah. Ces résultats démontrent le potentiel des PCM biosourcés comme matériaux efficaces pour améliorer la régulation thermique dans les constructions