Nouveaux composants actifs pour la gestion énergétique ... - Prebat 2

NOUVEAUX COMPOSANTS ACTIFS pour la GESTION
ENERGETIQUE de l’ENVELOPPE LEGERE des BATIMENTS
COUPLAGE
MATERIAUX à CHANGEMENT de PHASE / SUPER ISOLATION /
APPORT SOLAIRE
Daniel QUENARD - Maha AHMAD - Hébert SALLEE
André BONTEMPS
OBJECTIF
Analyse comparative du comportement
thermique de deux cellules
B : Parois bicouches
PIV + MCP intérieur
GRENOBLE
Journées Thématiques 2004
Enveloppe du Bâtiment
11 mars 2004
PIV : Panneau Isolant sous Vide
VIP : Vacuum Insulation Panel
MCP : Matériau Changement Phase
A- Parois PIV uniquement
12/03/04 DER/CPM 1/20
12/03/04 DER/CPM 2/20

Les CELLULES Instrumentées
es
Les PAROIS
Plaque FIBRO 6 mm
VIP 18 mm
Plaque FIBRO 6 mm
VIP 18 mm
MCP
Panneau MCP 25 mm
Contre plaqué 5mm
Contre plaqué 5mm
Fluxmètres
CTP
Intérieur 1 2
Plaque FIBRO 6 mm
VIP 18 mm
Panneau MCP 25 mm
Contre plaqué 5mm
Plaque FIBRO 6 mm
VIP 18 mm
Contre plaqué 5mm
PIV
Plaque FIBRO
extérieure
3 4
12/03/04 DER/CPM 3/20
5,4 cm
Plaque FIBRO 6 mm
VIP 18 mm
Panneau MCP 25 mm
Contre plaqué 5mm
PIV + MCP
2,9 cm
Plaque FIBRO 6 mm
VIP 18 mm
Contre plaqué 5mm
PIV seul
12/03/04 DER/CPM 4/20

Matériau coeur
Silice pyrogénée
Film étanche (aluminium)
Conductivité Thermique
5 mW/mKmK
Problèmes : perméabilité du film / soudure
Les MATERIAUX - PIV
Source : EMPA - CH
Conductivité Thermique
du gaz confiné
λg0
λg
=
T
1+
2A
δ ⋅ P
Réduire P
< l m 0,1 µm (air)
Les MATERIAUX Les PAROIS
- PIV
Principe : Confinement et Basse Pression
Conductivité thermiquemW/m.K
20 SIL 1à 30°C
SIL 2à 30°C
ZAE à 10°C
15
10
5
GEsSI : Groupe Etude sur la Super Isolation animé par l’ADEMEl
Partenaires : Industriels, Laboratoires, Centres de Recherche
12/03/04 DER/CPM 5/20
g0 : conductivité thermique gaz
0
T : température
0,01 0,1 1 10 100 1000
P : pression
PressionhPa
δ: taille des cavités, pores, cellules
l m : libre parcours moyen gaz
Source : Etude ADEME-EDF-CSTB
12/03/04 DER/CPM 6/20

PolyEthylène
Glycol (PEG) 600
Les MATERIAUX - MCP
ETE
Le PRINCIPE
Température de fusion : 20 - 25°C
Chaleur Latente : 148.103 J/kg
HIVER
V I P
M C P
V I P
M C P
V I P V I P
Panneau alvéolaire PVC
Problème : Etanchéité
V I P
M C P
V I P
Source : Etude ADEME-CSTB
12/03/04 DER/CPM 7/20
12/03/04 DER/CPM 8/20

TEMPERATURES
T : Amortissement
Température°C
80
70
60
50
40
30
20
10
T11 Tcel_S_MCP
T22 Tel_MCP
T23 Text
0
0
17/09/2003 00:00 18/09/2003 00:00 19/09/2003 00:00 20/09/2003 00:00 21/09/2003 00:00
TempsJ
Sans MCP: Amplitude 50°C Avec MCP: Amplitude 20°C
12/03/04 DER/CPM 9/20
1000
800
600
400
200
Rayonnement solaireW/m?
Ext
W
W
N
N
Int
Int
MCP
E
E
T °C
50
40
30
20
10
0
Ecart (Tcel_S_MCP-Text)
Ecart (Tint_MCP-Text)
-10
0
17/09/2003 00:0018/09/2003 00:0019/09/2003 00:0020/09/2003 00:0021/09/2003 00:00
TempsJ
Effet d’amortissement dans la cellule avec MCP
12/03/04 DER/CPM 10/20
60
50
40
30
20
10
Température extérieure °C
Ext
W
W
N
N
Int
Int
MCP
E
E

Flux Façades ades Ouest - Sud
FLUX : panneau Ouest
Flux W/m?
100
50
0
-50
-100
-150
F9 Face Intérieure
F10 Face Extérieure
-200
0
17/09/2003 00:00 18/09/2003 00:00 19/09/2003 00:00 20/09/2003 00:00 21/09/2003 00:00
SANS MCP
AVEC MCP
TempsJ
OUEST
SUD
TempsJ
12/03/04 DER/CPM 11/20
Flux W/m?
1000
800
600
400
200
100
50
0
-50
-100
-150
Rayonnement solaireW/m?
F20 Face Intérieure
F21 Face Extérieure
Ext
OUEST
SUD
1000
-200
0
17/09/2003 00:00 18/09/2003 00:00 19/09/2003 00:00 20/09/2003 00:00 21/09/2003 00:00
W
W
N
N
Int
Int
MCP
E
E
800
600
400
200
Rayonnement solaireW/m?
Extérieur
M.C.P.
V.I.P
Intérieur
Flux W/m?
100
50
0
-50
-100
-150
Flux Int. Face ext. OUEST
Flux Ext. Face ext. OUEST
4319
apport
77
737
-200
0
18/09/2003 00:00 18/09/2003 12:00 19/09/2003 00:00 19/09/2003 12:00 20/09/2003 00:00
12/03/04 DER/CPM 12/20
613
256
TempsJ
MCP
perte
Face SUD
Apport solaire : 3500 Wh intérieur (estimée)
Energie stockée (1 panneau) : 737+77=814 Wh
Energie restituée (1 panneau) : 613+256=869 Wh
1000
800
600
400
200
Rayonnement solaireW/m?

Fibrociment
Sans MCP
2.9 cm
Extérieur
Modélisation / Comparaison
V.I.P
Intérieur
Contre plaqué
Extérieur
M.C.P.
Intérieur
Avec MCP
5.4 cm
Modélisation TRNSYS / IIsiBat
Création d’un nouveau « type » de paroi avec MCP
Modèle de Piaa Lamberg – Juha Jokisalo - HUT
' ∂ T
e C pe =
∂ t
2
∂ T
e 2
∂ x
Béton + Isolation Intérieure
Mortier
Béton
Attention les échelles ne sont pas respectées
PSE
Plâtre
Béton
28 cm 28 cm
12/03/04 DER/CPM 13/20
Mortier
Béton + Isolation Extérieure
PSE
Plâtre
Sans changement d’état
Changement d’état entre T 1 et T 2
Maillage de la paroi 9 x 9 x 9
C'
pe = C p solide ou C p liquide
H
C ' LS
pe =
T2
- T1
Résolution de l’équation de la chaleur
Méthode de différences finies (Crank – Nicholson)
12/03/04 DER/CPM 14/20

cellule sans
MCP 70
Température (°C)
RESULTATS
cellule avec
MCP
CONCLUSIONS
T ext
• Les résultats obtenus sont très prometteurs,
Simulation Mesure
Mesure Simulation
• En été, l’amplitude de la température de la cellule avec MCP est 20 °C plus
60
faible que celle de la cellule sans MCP,
50
• La température maximum est ainsi abaissée de 20°C le jour et la
Béton + Isol. Int.
température minimum est augmentée de 10°C la nuit,
40
• 70% de l’énergie stockée est restituée (calculée sur un panneau)
• Les pertes à travers l’isolant ne sont pas négligeables.
30
• En hiver, la température de la cellule avec MCP reste positive avec une
température extérieure de -6°C,
20
• Bon accord entre la simulation TRNSYS avec le nouveau type de parois, et
10
les mesures,
Béton + Isol. Ext.
• Après sept mois de fonctionnement les panneaux de MCP conservent un
0
bon comportement.
01/09/03 02/09/03 03/09/03 04/09/03 05/09/03 06/09/03
Temps J
15/20
12/03/04 DER/CPM 12/03/04 DER/CPM 16/20

PERSPECTIVES
• Evaluer d’autres MCP avec des plages de température de
fusion/solidification plus réduites et centrées autour de 20°C,
• Installer une mesure du rayonnement à l’intérieur des cellules afin de
mieux connaître l’apport solaire réel,
• Faire des tests avec régulation de la température des cellules,
• Utiliser la simulation TRNSYS pour optimiser la quantité de MCP et le
fonctionnement dans d’autres conditions climatiques,
• Grand intérêt des MCP pour la climatisation passive,
• Développer de nouveaux composants intérieurs chargés de MCP :
cloisons, pavés de verre, planchers, plafonds … pour rafraîchir en
consommant moins.
12/03/04 DER/CPM 17/20