Analyse et résultats sur les configurations étudiées

2.3.1 Description des configurations simulées

Le modèle couplé de la maison et du système d’échangeur à MCP a été utilisé dans plusieurs configurations pour chacun des climats étudiés. La première configuration pour chacun des quatre climats correspond au cas de référence. Dans celle-ci, la simulation est exécutée avec comme

don-née pour l’échangeur, une masse de zéro kg de MCP. Cela permettra d’obtenir l’impact de la masse de MCP par comparaison et de juger le rôle joué par le stockage dans le même cadre de surventilation (6 volume d’air par heure soit 1500 m³/h). La configuration 7 est une référence éga-lement mais pour un débit de ventilation à 750 m³/h. Les différentes con-figurations pour lesquelles les résultats sont exposés dans la suite sont indiquées dans le Tableau 22.

L’utilisation d’une, deux ou trois unités d’échangeur à MCP di-mensionnées comme explicité en début de chapitre (1 unité représente une masse de 350 kg), le choix de MCP avec un pic de fusion à 21, 23 ou 25°C et les taux de ventilation 3 et 6 renouvellement de volume d’air par heure sont les différents paramètres présents dans ces configurations. Les choix des configurations pour les différents climats ont été faits selon les données statistiques sur les climats présentées au chapitre 1. Le débit d’air a été fixé à 3 Vol/h seulement pour Trappes, des tests pour les autres climats ont montrés immédiatement que les performances avec 3 Vol/h n’étaient pas suffisantes aussi bien en solidification qu’en fusion du MCP.

Tableau 22: Configurations simulées

Configuration _{de fusion (°C)} ^Température

Nombre d’unité d’échangeur à MCP Débit d’air (m³/h) 1 - 0 1500 2 23 3 1500 3 23 2 1500 4 21 2 1500 5 25 2 1500 6 21 1 750 7 - 0 750 8 25 3 1500

Dans la section suivante, les résultats correspondant à une sélec-tion de configurasélec-tions représentatives sont présentés pour chaque climat sous la perspective du potentiel d’amélioration du confort d’été dans la maison pour chaque configuration en les comparant aux références asso-ciées.

Pour les quatre fichiers climatiques, les résultats des simulations concer-nant les températures d’air intérieur ont été compilés pour avoir des points représentant les nombres d’heures pendant lesquelles la moyenne des températures d’air des deux zones thermiques « jour » et « nuit » est au moins égale à une température. La période étudiée commence le 1^er juin et se termine le 30 septembre.

2.3.2.1 Apport du MCP et de la surventilation pour le scénario climatique de Trappes

Le climat de Trappes est le moins chaud des quatre. Il est à tendance con-tinentale avec 50% des jours d’été qui présentent des écarts de tempéra-ture jour/nuit supérieurs ou égal à 10°C. La températempéra-ture moyenne quoti-dienne est supérieure à 20°C pendant seulement 21 jours. Un MCP avec un pic de température de fusion à 21°C a été utilisé dans un scénario avec une unité d’échangeur et un débit d’air de 750 m³/h pour la ventilation et dans un scénario où le dispositif est doublé, c'est-à-dire deux unités d’échangeur à MCP et un débit d’air à 1500 m³/h. Les unités sont placées en parallèle, la simulation avec les unités en série ayant donné de moins bons résultats. Les points obtenus pour les deux scénarios et leurs réfé-rences respectives sont tracés sur le graphe de la Figure 103.

Figure 103: Pourcentage du temps sur la période 1er Juin 30 Septembre pen-dant lequel la température intérieure est au moins égale aux températures

con-sidérées avec le climat de Trappes.

26 28 30 32 34 0 2 4 6 8 10 12

Température air intérieure (°C) >=

% d u t e m p s Sans MCP, configuration 1 Sans MCP, configuration 7 MCP en configuration 4 MCP en configuration 6

Sur le graphe, l’ordonnée représente le pourcentage du temps pendant lequel la température moyenne intérieure de la maison est au moins égale aux températures en abscisse. Ce pourcentage est calculé en terme de nombre de pas de temps de 5 minutes sur les 690 pas de temps composant la période 1^er juin 30 septembre.

Il est intéressant de noter que le cas avec une unité et 750 m³/h (configuration 6) donne des résultats sensiblement similaires statistique-ment au cas de référence sans MCP mais avec un débit de ventilation de 1500 m³/h (configuration 1). Sur la période étudiée, dans le cas de réfé-rence avec le fort taux de ventilation, la température intérieure moyenne de l’air dépasse les 26°C sur 6% du temps. Avec un taux de renouvelle-ment d’air classique de 0,6 volume/heure, la simulation indique que ce taux monte à 29% du temps. Dans le cas de la configuration 6, l’unité de MCP et la ventilation à 3 volumes/heure permettent d’abaisser à 6% ce chiffre. La meilleure performance revient au cas avec 2 unités de MCP (configuration 4) où les résultats indiquent que la température intérieure dépasse les 26°C seulement 2,6% du temps et dépasse les 30°C 0,18% du temps soit 5h.

2.3.2.2 Apport du MCP et de la surventilation pour le scénario climatique de Lyon

Lyon est un climat plus chaud que Trappes de 2°C environ en moyenne avec des amplitudes de variation de température jour nuit comparables. Les configurations testées feront donc appel à des MCP de pic de fusion à 21°C comme précédemment mais également à 23°C. Sur la Figure 104, les points obtenus via les simulations avec les configurations 1, 2, 3 et 4 sont tracés.

Les configurations 2 et 3 donnent des résultats quasi-similaires, donc ajouter une troisième unité d’échangeur sans changer le débit d’air n’est pas avantageux dans ce cas. La température de fusion de 23°C donne de meilleurs résultats que la température de fusion de 21°C. Il y a 690 pas de temps de 5 minutes avec la température moyenne de l’air inté-rieur supéinté-rieure ou égale à 30°C avec la température de fusion à 21°C et 220 pas de temps avec la température de fusion égale à 23°C.

Sur la période étudiée, avec le cas de référence (configuration 1), la température intérieure est supérieure ou égale à 26°C dans 15% des cas. Dans la même configuration mais avec un renouvellement d’air à 0,6 volume/heure à la place des 6 volumes/heure, la température intérieure est supérieure ou égale à 26°C pendant 49% du temps. Donc la surventi-lation avec de l’air extérieur est efficace en elle-même pour réduire signi-ficativement la température dans le bâtiment et évacuer les charges in-ternes. Avec le MCP, le pourcentage de temps durant lequel la

température est supérieure ou égale à 26°C tombe à moins de 7,6% soit approximativement 200 heures.

Figure 104: Pourcentage du temps sur la période 1er Juin 30 Septembre pen-dant lequel la température intérieure est au moins égale aux températures

con-sidérées avec le climat de Lyon.

2.3.2.3 Apport du MCP et de la surventilation pour le scénario climatique de Nice

Le climat de Nice, méditerranéen, est le plus désavantageux pour les MCP tels qu’imaginés ici à cause des faibles différences de température entre les jours et les nuits en été. Les trois températures de fusion, 21, 23 et 25°C ont été testées. Les résultats sont tracés toujours suivant la même méthode sur la Figure 105.

Le scénario avec le MCP de température de pic de fusion à 21°C (configuration 4) ne donne pas de bons résultats, spécialement pendant les périodes les plus chaudes parce que le MCP ne se solidifie pas la nuit donc n’est pas en mesure de rafraichir l’air le lendemain. Le meilleur scénario est celui avec le MCP de pic de fusion à 25°C (configuration 5). Son comportement devient plus intéressant les jours de forte chaleur, permettant à une large part du stock de MCP de se solidifier pendant la nuit.

Sur la période étudiée, dans le cas de référence (configuration 1) avec le taux de ventilation à 6 volumes heures, la température d’air

inté-26 28 30 32 34 0 5 10 15 20

Température air intérieure (°C) >=

% d u t e m p s Sans MCP, configuration 1 MCP en configuration 2 MCP en configuration 3 MCP en configuration 4

rieur est supérieure ou égale à 26°C pendant 28% du temps. Tandis qu’avec un taux de renouvellement d’air à 0,6 volume/heure, c’est 58% du temps. Avec le MCP, ce pourcentage est réduit à 23% dans le meilleur scénario. La température dans le bâtiment dépasse 30°C pendant 81 pas de temps dans la configuration 1 (référence avec surventilation), ce chiffre est réduit à 18 pas de temps avec la configuration 5 et le MCP à 25°C. Cela correspond respectivement à 18 heures et 1 heure et demi.

Figure 105: Pourcentage du temps sur la période 1er Juin 30 Septembre pen-dant lequel la température intérieure est au moins égale aux températures

con-sidérées avec le climat de Nice.

2.3.2.4 Apport du MCP et de la surventilation pour le scénario climatique de Carpentras

Le climat de Carpentras présente à priori le plus fort intérêt pour l’utilisation de MCP avec des températures estivales très chaudes et des différences de température jour/nuit importantes, supérieures à 10°C 57% du temps. Pour le MCP, les températures de pic de fusion à 23°C et 25°C ont été testées soit dans la configuration contenant 2 unités d’échangeurs soit dans celle avec 3 unités d’échangeurs. Les résultats sont toujours ex-primés en termes de statistiques sur les températures atteintes en cumulé sur la période. Les courbes sont tracées sur la Figure 106.

26 28 30 32 34 0 5 10 15 20 25 30

Température air intérieure (°C) >=

% d u t e m p s Sans MCP, configuration 1 MCP en configuration 5 MCP en configuration 3 MCP en configuration 4

Figure 106: Pourcentage du temps sur la période 1er Juin 30 Septembre pen-dant lequel la température intérieure est au moins égale aux températures

con-sidérées avec le climat de Carpentras.

Dans le cas de la maison sans MCP et sans surventilation, le con-fort d’été n’est pas du tout assuré. Sur la période Juin-Septembre, la tem-pérature intérieure dépasse les 30°C 32,5% du temps et dépasse les 26°C 64,2% du temps. L’ajout de surventilation à 6 volumes/heure (configura-tion 1) permet déjà de passer à 7,7% du temps pour le dépassement de 30°C et à 27,3% du temps pour le dépassement de 26°C.

Deux fois deux configurations ont été testées avec le MCP : l’utilisation de 2 ou 3 unités avec du MCP de température de pic de fu-sion à 23 et 25°C. L’ajout d’une unité, donc de 16 plaques de MCP se va-lorise sur les courbes des statistiques sur la température d’air intérieur par un décalage vers le bas compris entre 3,4 et 0,8% du temps observé. La différence entre les courbes représentant les cas avec pic de température de fusion à 25°C et les cas avec températures de fusion à 23°C est la plage de température effective. Les courbes se croisent vers 29°C. Ainsi le MCP avec une température de fusion plus élevée permet de réduire plus efficacement les moments où la température intérieure est très éle-vée, ici supérieure à 29°C et le MCP avec la température de pic de tempé-rature de fusion à 23°C est plus performant pour réduire les moments où la température intérieure dépasse les 26°C. Par contre, les journées les plus chaudes, le constat est fait qu’il ne se cristallise pas suffisamment la nuit pour assurer la continuité des cycles et la bonne performance du sys-tème. 26 28 30 32 34 0 5 10 15 20 25 30

Température air intérieure (°C) >=

% d u t e m p s Sans MCP, configuration 1 MCP en configuration 2 MCP en configuration 3 MCP en configuration 5 MCP en configuration 8

La comparaison des cas avec MCP et du cas de référence avec le même débit de ventilation mais sans aucune unité de MCP illustre un rôle très actif du système dans ce climat de Carpentras. On passe de 27,3% du temps sur la période étudiée où la température intérieure dépasse les 26°C à 15,15% du temps dans la configuration 2. Les heures où la tempé-rature dépasse les 30°C sont elles quasiment éliminées (reste 0,06% dans la configuration 8) avec le MCP.

2.3.3 Température d’air intérieur et puissance climatique Sur la Figure 107, les températures d’air dans la maison, à l’extérieur et à la sortie de l’échangeur à MCP pour 3 journées consécutives du mois de juillet dans le climat de Lyon sont représentées. Sur ces mêmes 3 jours, la puissance échangée du point de vue du MCP est tracée sur la Figure 108.

Figure 107: Températures d'air pendant 3 jours de Juillet avec la configuration 2, climat de Lyon

Figure 108: Puissance absorbée par le MCP pendant 3 jours de Juillet, dans la configuration 2, dans le climat de Lyon

Pendant ces trois jours, la température extérieure atteint 28°C pendant le jour et descend au minimum à 19,5°C pendant la première nuit et à 15°C pendant la seconde nuit. Il y a une situation d’inconfort ther-mique dans la maison puisque la température intérieure atteint les 30°C au cours du second jour, même avec une surventilation active de 6 vo-lumes/heure. Le MCP permet de réduire la température intérieure de 3°C. A la sortie de l’échangeur air/MCP, la température de l’air se situe autour de la température de fusion du MCP comme prévu. La puissance de ra-fraichissement de l’échangeur est maximale lorsque la température exté-rieure est de 30°C : c’est 1900 W pour ces 2 unités d’échangeurs air/MCP formant une masse de 700 kg. La nuit, la puissance maximale pour la so-lidification du MCP atteint 3000 W par contre la première nuit, lorsque la température extérieure ne descend pas en dessous de 19,5°C, la puissance de solidification ne dépasse pas les 1000 W.

2.3.4 Première estimation de la consommation d’énergie du système

La consommation électrique du système correspond à la consommation nécessaire à la mise en mouvement de l’air. C'est-à-dire la consommation

4520 4540 4560 4580 -2000 -1000 0 1000 P u is s a n c e é c h a n g é e ( W) heures

électrique d’un ventilateur sur toute la plage d’utilisation du système. Il y a deux ventilateurs dans le système mais ils ne fonctionnent jamais en même temps dans les modes de ventilation prévus. L’énergie nécessaire aux ouvertures et fermetures de clapets motorisés n’est pas prise en compte ici.

Avec une hypothèse de première approximation de 0,25 W/(m³/h) pour les besoins d’alimentation du ventilateur, le bilan pour le ventilateur est fait dans le Tableau 23. Les valeurs appliquées correspon-dent aux conventions réglementaires établies par le CSTB dans les règles THC (CSTB, 2009).

Tableau 23: Consommation d’énergie pour le ventilateur du système en pre-mière approximation

Débits d’air ^{Puissance pour le} ventilateur

Energie pour la pé-riode Juin, Juillet,

Aout, Septembre

750 m³/h 187,5 W 5,5 kWh/(m².(4 mois))

1500 m³/h 375 W 11 kWh/(m².(4 mois))

2.4 Conclusion

Une maison ayant subi une réhabilitation thermique avec une isolation et l’installation d’un système de ventilation mécanique a été modélisée et différentes simulations avec un modèle couplé de bâtiment et de trans-ferts thermiques dans les MCP ont été menées. Quatre climats Français avec des caractéristiques bien distinctes ont été modélisés. Ce modèle de maison a été simulé tel quel et avec le système d’échangeurs stockeurs à MCP couplé à la ventilation.

Dans l’ensemble des cas testés, le confort thermique d’été n’est pas garanti 100% du temps dans les quatre climats. Mais le système de surventilation et l’échangeur air/MCP dans les meilleures configurations testées donnent des résultats prometteurs. Comme esquissé initialement, le climat avec les plus grands écarts de température jour/nuit est le plus compatible avec le fonctionnement cyclique des MCP

Avec le climat de Trappes, le confort thermique dans la maison est atteint avec 2 unités de MCP 97,4% du temps sur la période estivale considérée. Avec les climats de Lyon et Carpentras, le système permet de sérieusement réduire les périodes de surchauffe dans la maison et à Nice les résultats sont moins impressionnants, en grande partie à cause de manque de solidification du MCP pendant les nuits, donc de cycles de

fu-sion/solidification sur une faible part du MCP. Les faibles variations de températures entre les jours et les nuits et les fortes températures nécessi-tent l’utilisation d’un MCP de température de fusion à 25°C.

Ces résultats montrent l’importance de la prise en compte des ca-ractéristiques climatiques dans le dimensionnement du système et identi-fient des limitations par rapports aux climats avec des températures très stables sur l’ensemble des journées. Dans beaucoup de cas étudiés, la so-lidification du MCP pendant la nuit n’est que partielle ce qui conduit à une sous-utilisation du système. Une solution pourrait être de contrôler le débit d’air à travers les échangeurs de chaleur et les augmenter quand la température nocturne n’est pas suffisamment basse mais en dessous de la température de solidification. Cependant le débit d’air est limité par les pertes de charge dans le système et le dimensionnement des ventilateurs.

Le confort d’été dans la maison est significativement amélioré avec le système à MCP. Dans les climats de Lyon et de Trappes, le nombre d’heures de surchauffe est limité à quelques pourcents de la du-rée totale de la période. Si l’on considère 26°C comme la limite, alors c’est 2,6% pour Trappes et moins de 8% pour Lyon tandis que le confort est assuré pendant 84,85% du temps à Carpentras. 700 kg de MCP sont nécessaires pour atteindre ces résultats dans les configurations identi-fiées.