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Thèse de doctorat/ PhD Thesis Citation APA:

Theunissen, P. (1983). Accumulation thermique dans les matériaux à changement de phase. Application au chauffage solaire de l'habitat (Unpublished doctoral dissertation). Université libre de Bruxelles, Faculté des sciences, Bruxelles.

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C D 3 8 5 "

I n s t i t u t von Karman Université Libre de Bruxelles

de Dynamique des Fluides Faculté des Sciences Appliquées

ACCUMULATION THERMIQUE DANS LES MATERIAUX A CHANGEMENT DE PHASE

APPLICATION AU CHAUFFAGE SOLAIRE DE L'HABITAT

P . H . THEUNISSEN

D i s s e r t a t i o n p r é s e n t é e en vue de l ' o b t e n t i o n du g r a d e de D o c t e u r en S c i e n c e s A p p l i q u é e s

SEPTEMBRE 1983

BIBLIOTHÈQUE DE MATHÉ/MTIQUES ET DE PHYSIQUE

I n s t i t u t von Karman Université Libre de Bruxelles e Dynamique des Fluides Faculté des Sciences Appliquées

ACCUMULATION THERMIQUE DANS LES MATERIAUX A CHANGEMENT DE PHASE

APPLICATION AU CHAUFFAGE SOLAIRE DE L'HABITAT

P . H , THEUNISSEN

D i s s e r t a t i o n p r é s e n t é e en vue de l ' o b t e n t i o n du g r a d e de D o c t e u r en Sciences A p p l i q u é e s

SEPTEMBRE 1983

REMERCIEMEMTS

Je t^tm, à fimeACA­QA m pfimloA lieu Moyi&lenA £e ?fioiej>i>QÀVt J.J.

Genoux, Vln.tcZ(iuA de VJviSttiMit uon Kcvman, pouA ta conf^Ajanca qu'il m'a accon.­

dzQ. tout au. long de ce^tte Aec^eAcfie aLn&­L que. poux lté appuis pn.é.cA.zux qu'­ct m'a toujou^u o^^eAtA Zofu de mei dmandu de. bouuej> eZ i>ub6ldeA.

MomleuA 3­M. Buchtin, PA-OjJei^euA 5 l'ïnàtUut von Kafunan, a iupeA­

v­Ué ce thjavaiZ avec un IntéA&t i>ovute.WL eX m'a Inculqué, au tA.aveAi> de. no& mut­

tlpteJ^ dAJ>cu66'Lon!>, une. méXhodologZe. de. pznàéz qui m'a aidé à maintes fLtpfuL&eJ»

dcLYU) la défilnitlon eX VaXtelvite. d'objzctl^i ble.n &ouve.nt mal aeAné6 dam, mon eJipnJX. Qu'il itOAjt Ici KemeAcié. de. &a poAticipation activz à cetXz fie.ckeAchz.

I moM like. to thank P^OjJe44o^ J.A. Pa^jjxe and Vnoie^&oh. W.A. Be.ckman, UniveA^ity o^ Wi6coni,in, ^OA acczpting me. a^ a Re^exVlch k&&i&taïvt in the. Soùvi EneAgy labohatofiy ^oh, one. yexxA. TheÂA comment!, and Ciitici^m^ e.ncoaAagzd me to A.eûL64e44 the, {final puApo&e^ OjJ my Ph.V. theA^ii.

Jim Bnxmn, TRhlSVS e.ngimeA at thz SoloA. EnoAgy Labohatofiy, UniveA^ity 0^ Wijicomin, gave, me many new ideoi, œkiZe, ke. uxu int/ioducing me. to the, u&z o{^

thz TRNSVS pKogfiam, a main tool o^ thii, mn.k. 1 am at&o indebtzd to TeA/iy and Jim {^OK thz heJip thzy pfiovidzd me dufiing that yeafi in Madi&on.

Je me doi& de fieJizvzA ici Iz &upponJ: quz m'a apporté M. Bottz, ingznieuM. tzchnicizn en zlzct/ioniquz à l'Institut von KoAman, loAi de la défi­

nition, la con&tÂuction zt la miéz au point du iyitzmz d'acquUiZion de données.

Il a n.éxji&i>i, ghâcz à son àzn& pédagogiquz zt 6a gHandz patizncz, à me cammuyU­

quQA 4a paô,6ion poun. la micfio­iniomatJjquz,

Czttz AzchzAchz n'auAait pu aboutin. iam unz collaboration ztAoitz du pzuonneZ de l'Institut von Kanjnan. Qu'ils tAouvznt au thavexs de ce tnavail l'expftes&ion de ma fizconnaisiancz poun. leuA dévouzmznt ­!,an6 turuXz.

les &uppofits finandeAS qui m'ont peAmis de dzveloppzA czttz thèsz de doctoAot ont été fournis poA :

5 2 6 1 0 1

- Vln6tÂXut poufL Z'EncouAagmznt dz la. Rzckzn.ch& Sci&ntL^Zquz dan6 l'IndiutAiz zt VkQfiicjuJUiiKz,

- VlyUitiiat von KoAman dz Vynamiquz dzi> Vliiidz&,

- Iz SoloÂ. Enzfigy la.boKatofiy dz

da W.L&con&Â.n, - unz boujuz dz n.zzh2Jizkz dz l'OTAN,

- unz bowuz "fulbftiQhX. AMcuid" dz ta. Covmi&ilon d'Echangz znXAz Iz^ USA zt la. Bzlglquz.

Quz CZ6 o^ganUmzJ) 60A,zni. KmeAaÀ.zi> dz la. zonf^Xancz qu'-ilô) m'ont attnÂ.buzz.

C'e^it gAâcz à l'appui dz Solvay zt Ciz zt dz l'AggloméAotion dz BAuxztlzi, quz j'at pu obtznÀA Iz fizgÂmz paAticjjJU.zh, dz la. bou/uz dz hpzcAjoLi- iotlon ÎRSIA. En pùi& dz cz ioutizn, jz tizni, à ^zmzActzt poAticallQAzmznt

MM Vztlatzn, Vzmlli zt Dz La VaWLz dz Solvay & Clz aln6l quz M. VzMiint dz l'Agglomzfiation dz BmxMzà pouA l'œidz dX l'intéAzt qu'Ile ont appofitzi>

à la A.zaLuatLon dz czttz tkzi,z.

Je doLb l'impzacablz qualité, dz ^Aappz zt dz nvuz zn pagz dz cz tzxtz à Mme Toubzaa. Qu'zlZz &oiX. chalzu/LZu^zmznt nzmzAcÂ.zz d'avoin. zf^^zctaz cz tÂavail fiZYvdu. bizn i>ouvzYit pzniblz poA. un rnaviu^cAipt dif^f^icilz a dzcki{^ln.zA.

Et puti>, à meA awK.e6 et omci, mei zquÂ.pizA6 dam dz nombn.zui,zi>

zntAzpàtàzà zn touà gzn/izi, Matkizu, Rzginz, Uatc, ViAginiz, Vautz, BzAnoAd, ImbzlZz, Stzvz, Ben, Lz&j'zk, Jzan-Louii, zt bizn d'autAzi,, jz Izun. doi& unz poAtiz dz cz tAavoAÂ.. 11& ont ztz duAant czA, cinq années d'un i,uppofit moAol inz^timablz.

Et zn^in, mz6 poAznts. Au tAavzA^ dz V éducation donnzz à mei 4oeu/L4 et ^H.zAz ain^i qu'à moi-mhnz, il& ont Azu6ii à nooi inculquzn. unz motivation indiàpzn&ablz à la fLzalL&ation dz no6 pAOjztA. PAZ6znti> zn toutes CAAcon&tancer, ilA ont ztz unz dz!> ^oA.czA motAiczi, dz c e t t e thz&z dz doctoAot.

Qu'ilà tAouvznt dan& ion achzvzmznt unz dz6 con&zquznczA dz IzuAb zi£o^it6.

RESUME

La présente recherche a pour but de développer et d ' u t i l i s e r une méthodologie q u a n t i f i a n t l'impact thermique et économique d'une accumulation de chaleur dans les matériaux à changement de phase sur un chauffage so-

l a i r e a c t i f d'une habitation.

Les comportements thermiques t r a n s i t o i r e s de diverses conceptions d'accumulateurs à MCP sont étudiés expérimentalement et théoriquement.

Une modélisation mathématique des phénomènes de charge, décharge et relaxation d'un stock à MCP encapsulé est proposée. L ' o u t i l numérique résultant est mis en oeuvre dans une étude paramétrique. Les prédictions sont comparées à l'expérience.

A l ' a i d e du code modulaire TRNSYS, les performances d'un système s o l a i r e a c t i f à a i r avec accumulateur à chaleur sensible et latente sont confrontées au niveau des stockages j o u r n a l i e r et saisonnier.

Une approche économique concrétise l'ensemble des conclusions

thermiques en présentant un p r i x de vente maximum du MCP ainsi que les

périodes de retour des systèmes solaires optimaux.

TABLE DES MATIERES

RESUME : i

CHAPITRE 1 - INTRODUCTION 1.1

1.1 Rôle d'un stockage d'énergie 1.1

1.2 Les systèmes solaires a c t i f s et leurs accumulateurs 1.4 1.2.1 Systèmes solaires a c t i f s à eau 1.4

1.2.2 Systèmes solaires a c t i f s à a i r 1.6

1.2.3 Limitation du stockage et cadre de la recherche proposée . 1.8 1.3 Stockage thermique à haute densité 1.8

1.3.1 Changement d ' é t a t so l id e- l iqu id e 1.9 1.3.2 Changement d ' é t a t liquide-gaz 1.9

1.3.3 Comparaison des stockages sensibles, à MCP, et chimiques . . 1.10 1.4 Stockage thermique à MCP 1.11

1.4.1 Les matériaux à changement de phase . 1.12 1.4.1.1 Les paraffines 1.13

1.4.1.2 Les sels hydratés 1.13 1.4.1.3 Conclusions sur les MCP 1.14 1.4.2 Conditionnement du MCP 1.15

1.4.2.1 Conditionnement discontinu du MCP (encapsulation) . 1.16 1.4.2.2 Conditionnement continu du MCP 1.15

1.4.2.3 Conditionnement continu à contact d i r e c t du MCP . . 1.17 1.4.2.4 Conclusions sur le conditionnement du MCP 1.18

1.5 Lacunes dans la recherche et le développement des accumulateurs à MCP 1.18

1.6 But et organisation de la thèse 1.20

1.6.1 Etude de l'élément "accumulateur thermique à MCP" 1.20

1.6.2 Etude thermique d'un système solaire a c t i f à a i r et MCP . . 1.21 1.6.3 Etude économique d'un système solaire à a i r e t MCP 1.21

1.6.4 Conclusions 1.22 1.7 Remarques 1.22

Bibliographie 1.23

Liste des Tables 1.27

Liste des Figures 1.32

CHAPITRE 2 - COMPARAISON DES MATRICES DE STOCKAGE 2.1 2 . 1 Introduction 2.1

2.2 Description géométrique d'une matrice de stockage à MCP 2.2 2.3 I r r é v e r s i b i l i t é s d'une matrice de stockage à MCP 2.2

2.3.1 I r r é v e r s i b i l i t é s thermiques 2.3 2.3.2 I r r é v e r s i b i l i t é s mécaniques 2.6 2.4 Surcoût associé aux i r r é v e r s i b i l i t é s 2.8 2.5 Choix des matrices de stockage 2.10

2.6 Comparaison des matrices de stockage choisies 2.11 2.6.1 Etude de référence 2.12

2.6.1.1 I r r é v e r s i b i l i t é s thermiques 2.12 2.6.1.2 I r r é v e r s i b i l i t é s mécaniques 2.13 2.6.1.3 Le c o e f f i c i e n t de surcoût 2.13 2.6.2 Etude paramétrique 2.14

2.6.2.1 Le facteur de forme, A^, 2.14

2.6.2.2 Le diamètre caractéristique de la matrice, Dg . . . 2.15 2.6.2.3 La c o n d u c t i b i l i t é thermique du MCP, k 2.16

2.6.2.4 Conclusions de l ' é t u d e paramétrique 2.16 2.7 Conclusions 2.16

Bibliographie 2.18

Nomenclature 2.20

Liste des Tables 2.23

Liste des Figures 2.27

CHAPITRE 3 - ETUDE EXPERIMENTALE D'ACCUMULATEURS DE CHALEUR A MCP . . 3 . 1 3.1 Introduction 3 . 1

3.2 Essais expérimentaux 3.3

3 . 2 . 1 Campagne d'essais préliminaires 3.4 3.2.1.1 Matrices de stockage 3.4

3.2.1.2 I n s t a l l a t i o n expérimentale 3.5 3.2.1.3 Essais effectués 3.5

3.2.1.4 Enseignements de la campagne d'essais préliminaires 3.6 3.2.2 Seconde campagne d'essais 3.6

3.2.2.1 Matrices de stockage 3.7 3 . 2 . 2 . 1 . 1 Le MCP 3.7

3.2.2.1.2 Les géométries de conditionnement du MCP . . . 3.8 3.2.2.2 Boucle énergétique SUN 3.10

3 . 2 . 2 . 2 . 1 C i r c u i t à a i r 3.10

3.2.2.2.2 Système d ' a c q u i s i t i o n et de traitement des mesures 3.11

3.2.2.3 Essais effectués 3.13 3.3 Les banques 3.13

3 . 3 . 1 Banque de données expérimentales 3.13

3.3.2 Banque de renseignements technologiques 3.14 3.3.3 Banque de moyens expérimentaux 3.15

3.4 Traitement des banques 3.15

3 . 4 . 1 Description du comportement t r a n s i t o i r e des unités à MCP . . 3.15 3.4.1.1 Unité ES 3.15

3.4.1.2 Unité ET 3.18 3.4.1.3 Unité FT 3.19 3.4.1.4 Conclusions 3.20 3.4.2 Comportement du MCP 3.20

3.4.3 I n t e r p r é t a t i o n des mesures 3.21

3 . 4 . 3 . 1 Energie c a l o r i f i q u e accumulée 3.21

3.4.3.2 Evolution t r a n s i t o i r e d'un stockage à MCP 3.24 3.4.4 Comparaison des matrices de stockage 3.29

3.4.5 Banque de données pour l'étalonnage des modèles 3.31 3.4.6 Moyens expérimentaux développés 3.31

3.5 Conclusions 3.31

Bibliographie 3.34

Nomenclature 3.36

Liste des Tables 3.39

Liste des Figures 3.49

CHAPITRE 4 - MODELISATION D'UN ACCUMULATEUR DE CHALEUR A MCP ENCAPSULE 4.1 4 . 1 Introduction 4.1

4.2 Modèle physique d'un accumulateur à MCP 4.2 4.2.1 La capsule de MCP 4.2

4 . 2 . 1 . 1 La chaleur latente 4.2

4.2.1.2 La c o q u i l l e d'encapsulation 4.3 4.2.1.3 Le champ thermique interne 4.3

4 . 2 . 1 . 3 . 1 Liquéfaction 4.3 4.2.1.3.2 S o l i d i f i c a t i o n 4.4

4.2.1.3.3 Synthèse l i q u é f a c t i o n - s o l i d i f i c a t i o n 4.4 4.2.1.4 Masse volumique du MCP 4.5

4.2.1.5 Conclusions du modèle physique d'une capsule de MCP. 4.6 4.2.2 Air en convection forcée 4.6

4.2.3 Air en relaxation 4.6

4.2.4 Synthèse du modèle physique 4.7 4.3 Modèle mathématique 4.8

4.3.1 Revue bibliographique 4.8 4.3.2 Mise en équation 4.9

4 . 3 . 2 . 1 Modèle mathématique d'une capsule de MCP 4.9 4 . 3 . 2 . 1 . 1 Le MCP 4.9

4.3.2.1.2 Modèle de la c o q u i l l e 4.12

4.3.2.2 Modèle de l'accumulateur en régime convectif . . . . 4.13 4.3.2.3 Modèle de l'accumulateur en relaxation 4.14

4.3.2.4 Synthèse des modèles 4.15 4.3.3 Les constantes de temps 4.16

4 . 3 . 3 . 1 Régime de convection forcée 4.17 4.3.3.2 Régime de relaxation 4.19

4.3.4 Mise en équation non dimensionnelle 4.21 4 . 3 . 4 . 1 Modèle du MCP 4.24

4.3.4.2 Modèle de la coquille 4.25

4.3.4.3 Modèle de l ' a i r en convection forcée 4.25 4.3.4.4 Modèle de l ' a i r en relaxation 4.26

4.3.5 Dépendance du modèle non dimensionnel 4.26 4.4 Modèles numériques 4.26

4.4.1 Revue bibliographique 4.27 4.4.2 D é f i n i t i o n du maillage 4.29

4.4.3 Résolution numérique du modèle a b l a t i f 4.31

4.4.4 Résolution numérique du modèle enthalpique 4.36

4.5 Etude de la précision des modèles numériques 4.40 4 . 5 . 1 Etude numérique en phase sensible 4.41 4.5.2 Etude numérique en phase latente 4.43 4.6 Etude paramétrique des modèles numériques 4.46

4 . 6 . 1 Régime de convection forcée 4.46

4 . 6 . 1 . 1 Répartition des la chaleur l a t e n t e , Step 4.47 4.6.1.2 E f f e t du nombre d'unités de t r a n s f e r t , NUT 4.48 4.6.1.3 E f f e t du nombre de B i o t , Bi 4.49

4.6.1.4 E f f e t de la géométrie d'encapsulation 4.51 4.6.2 Régime de relaxation 4.51

4.6.3 Conclusions de l'étude paramétrique 4.52

4.7 Comparaison simulations numériques-résultats expérimentaux . . . . 4.52 4 . 7 . 1 Résultats expérimentaux du chapitre 3 4.53

4 . 7 . 1 . 1 Unité ES-CigHge en charge 4.54 4.7.1.2 Unité ES-CieHge en décharge 4.54 4.7.1.3 Unité ES-CaC£2-6H20 en charge 4.55 4.7.1.4 Unité ET-CaCJi2-6H20 en décharge 4.56 4.7.2 Résultats expérimentaux de Lane [51] 4.56 4.7.3 Conclusions 4.57

4.8 C r i t è r e de choix entre les modèles OD et ID 4.57 4.9 Module TRNSYS d'un accumulateur â MCP 4.59 4.10 Conclusions 4.60

Bibliographie 4.61

Nomenclature 4.66

L i s t e des Tables 4.70

Liste des Figures 4.74

CHAPITRE 5 - INTEGRATION D'UN STOCK MCP AU SEIN D'UN SYSTEME SOLAIRE ACTIF A AIR POUR LE CHAUFFAGE DE L'HABITAT 5.1

5.1 Introduction 5.1

5.1.1 Solaire passif ou a c t i f ? 5.1 5.1.2 Cadre du problème 5.2

5.1.3 J u s t i f i c a t i o n et structure de l ' é t u d e proposée 5.2 5.2 Description de TRNSYS 5.4

5.3 Système étudié 5.5

5.3.1 Conditions météorologiques 5.6 5.3.2 Sources chaudes et f r o i d e 5.6

5 . 3 . 2 . 1 Gains internes et s o l a i r e passif 5 . 6 5 . 3 . 2 . 2 Solaire a c t i f 5 . 7

5 . 3 . 2 . 3 Chauffage a u x i l i a i r e et unité de refroidissement . . 5 . 8

5.3.3 L'habitation 5.9

5.3.4 Le contrôle des sources chaudes et f r o i d e 5.10 5.4 Etude de référence 5.11

5.4.1 Bilan thermique d'une habitation 5.12 5.4.2 Etude du système solaire a c t i f 5.14 5.4.3 Conclusions de l'étude de référence 5.16 5.5 Etude paramétrique 5.16

5.5.1 Surface de captation, A Q - volume de stockage, V 5.17 5.5.2 Etude des paramètres de l ' h a b i t a t i o n 5.18

5 . 5 . 2 . 1 Coefficient de déperdition de l ' h a b i t a t i o n , . . . 5 . 1 8 5 . 5 . 2 . 2 Capacité thermique de l ' h a b i t a t i o n , (M Cp)^ . . . . 5 . 1 9 5 . 5 . 2 . 3 Surface de captation passive, Ap Tp 5 . 2 0

5 . 5 . 2 . 4 Consigne de n u i t du thermostat 5 . 2 0 5 . 5 . 2 . 5 Conclusions 5 . 2 1

5.5.3 Etude des paramètres du stockage 5.21

5 . 5 . 3 . 1 Paramètres extensifs 5 . 2 1

5 . 5 . 3 . 1 . 1 I s o l a t i o n de la cuve de stockage 5 . 2 1 5 . 5 . 3 . 1 . 2 Le nombre d'unités de t r a n s f e r t , NUT 5 . 2 2 5 . 5 . 3 . 1 . 3 Le facteur de forme de la cuve, A^ 5 . 2 3 5 . 5 . 3 . 1 . 4 La c o n d u c t i b i l i t é axiale e f f e c t i v e

en r e l a x a t i o n , k^^^ 5.23

5 . 5 . 3 . 1 . 5 Conclusions 5 . 2 3

5.5.3.2 Paramètres i n t e n s i f s 5.24

5 . 5 . 3 . 2 . 1 Diamètre d'encapsulation de la capsule de MCP, D^ 5.24 5.5.3.2.2 La coquille d'encapsulation 5.25 5.5.3.3 Propriétés thermophysiques du MCP 5.25 5.5.3.4 Conclusions 5.27

5.5.4 Etude de d i f f é r e n t s MCP 5.28 5.5.5 Le stockage saisonnier 5.28 5.6 Conclusions 5.29

Bibliographie 5.32

Nomenclature 5.33

L i s t e des Tables 5.37

L i s t e des Figures 5.41

CHAPITRE 6 - ETUDE ECONOMIQUE D'UN SYSTEME SOLAIRE CONTENANT UN ACCUMULATEUR DE CHALEUR A MCP 6.1

6 . 1 Introduction 6.1

6.2 D é f i n i t i o n des grandeurs et indicateurs économiques 6.2 6.2.1 Investissement i n i t i a l d'un système solaire a c t i f 6.3 6.2.2 Périodes de retour 6.4

6.2.3 Conclusions 6.6

6.3 Conditions économiques retenues 6.7 6.3.1 Système solaire 6.7

6.3.2 Chauffage a u x i l i a i r e et puissance parasite 6.8 6.3.3 Scénario économique de l'investissement 6.8 6.4 Prix de vente maximum du MCP, P^ 6.9

6.5 Etude de la période de r e n t a b i l i t é d'un système solaire 6.10 6.5.1 Surface de captation, A^, - volume de stockage, V 6.10

6 . 5 . 1 . 1 Système optimum optimorum 6.10

6.5.1.2 S e n s i b i l i t é des systèmes 02 à Cp, C^^^ et C^^^ . . . 6.12 6.5.1.3 Prix de vente maximum du MCP, Pjj 6.13

6.5.1.4 Période de r e n t a b i l i t é à franc actualisé, N^j . . . . 6.13 6.5.1.5 Conclusions 6.14

6.5.2 I s o l a t i o n de la cuve de stockage, H^ 6.15 6.5.3 Le facteur de forme, A^ 6.15

6.5.4 Diamètre de la capsule de MCP, D^ 6.16 6.5.5 Etude de d i f f é r e n t s calostockeurs 6.16 6.5.6 Le stockage saisonnier 6.17

6.6 Conclusions 6.18

Bibliographie 6.20

Nomenclature 6.22

L i s t e des Tables 6.24

Liste des Figures 6.28

CHAPITRE 7 - CONCLUSIONS 7.1

7.1 Outils développés et rais en oeuvre 7.1 7.1.1 Etude d'un accumulateur à MCP 7.1

7.1.2 Etude thermique d'un système solaire à a i r 7.2 7.1.3 Etude économique d'un système solaire à a i r 7.2 7.2 Conclusions quantitatives de l ' e x p l o i t a t i o n des o u t i l s 7.2

7.2.1 Etude de l'accumulateur thermique à MCP 7.3

7.2.2 Etude thermique d'un système de chauffage s o l a i r e à a i r . . 7.3 7.2.3 Etude économique d'un système de chauffage s o l a i r e à a i r . . 7.4 7.3 Remarques 7.4

A N N E X E S

1 - FUSION D'UN ELEMENT D'UNE MATRICE DE STOCKAGE A CHANGEMENT DE PHASE A l . l

2 - PROPAGATION AXIALE DU CHANGEMENT DE PHASE AU SEIN

D'UN ACCUMULATEUR A MCP - INCLUSION DES EFFETS CAPACITIFS . . A2.1

- 1.1 - CHAPITRE 1 - INTRODUCTION

La f i n a l i t é de cette thèse est de présenter une méthodologie quan- t i f i a n t l ' i m p a c t thermique et économique d'un accumulateur de chaleur u t i - l i s a n t les Matériaux à Changement de Phase (MCP) sur un système de chauffage s o l a i r e a c t i f destiné à rencontrer la charge thermique d'une h a b i t a t i o n .

Le premier chapitre que constitue cette i n t r o d u c t i o n , s'attachera à sougliner l ' o r i g i n a l i t é et la portée du t r a v a i l proposé. Après avoir

i l l u s t r é l ' u t i l i t é d'un stockage au sein d'un processus énergétique, l ' a t t e n - t i o n se focalisera sur les systèmes solaires a c t i f s et les problèmes q u ' i l s rencontrent plus particulièrement au niveau de l'accumulation thermique.

Leurs solutions seront passées en revue pour déterminer les points acquis a i n s i que les lacunes. De ce dernier relevé découlera la j u s t i f i c a t i o n de cette présente thèse.

1.1 Rôle d'un stockage d'énergie

Le stockage d'énergie, c a l o r i f i q u e ou mécanique, e s t , depuis tout temps, un sujet d ' i n t é r ê t de l ' ê t r e humain étant donné son importance dans l e processus énergétique et les d i f f i c u l t é s de r é a l i s a t i o n qui l u i sont associées.

Tout processus énergétique se caractérise par la présence d'une unité de production, source, et d'une unité de consommation, p u i t s , chacune d ' e l l e s étant d é c r i t e par un p r o f i l temporel de puissance qui ne se rencon- t r e n t pas nécessairement. Le stockage d'énergie est un élément passif dont la fonction est de moduler et de déphaser les apports énergétiques pour les a j u s t e r , tant en amplitude qu'en temps, à la demande. Son objet peut être

un lissage d'une charge énergétique incontrôlable dans l ' o p t i q u e d'uniformiser le p r o f i l de production, un lissage d'une source également incontrôlable

pour subvenir au besoin d'une charge constante, ou encore, l ' i n t e r f a c e d'une source et d'une charge q u i , de leurs natures propres, sont déphasées dans l e temps.

Au travers de ces o b j e c t i f s de gestion énergétique, l ' o p é r a t i o n de

stockage se devra de minimiser les coûts d ' i n s t a l l a t i o n et d ' e x p l o i t a t i o n du

couple production-consommation. L'absence de tampon entre ces deux fonctions

- 1.2 -

nécessiterait un surdimensionnement coûteux des organes de production par rapport à ceux de consommation. Le t r i p l e t production-stockage-charge o p t i - mum résultera d'un compromis économique entre les coûts associés à chacun de ces éléments. I l importe donc de se pencher avec attention sur le dessin et la technologie de l'accumulateur a f i n de minimiser le temps de retour de l'investissement i n i t i a l par des économies sur les f r a i s d ' e x p l o i t a t i o n .

Actuellement, le problème de l'accumulation d'énergie se heurte principalement aux volumes q u ' i l nécessite et aux i r r é v e r s i b i l i t é s (pertes de niveau thermique, déperditions, pertes de charge, e t c . ) qui l u i sont associées. Ce sont autant de problèmes physiques qui grèvent la r e n t a b i l i t é de la fonction accumulatrice. Ce ne sera qu'au travers de l ' a m é l i o r a t i o n de ces tares que le stockage permettra d ' a t t e i n d r e des investissements et dépenses moindres pour le système énergétique global. C'est, dès l o r s , dans cette optique que le présent t r a v a i l a été entrepris et développé.

Les exemples d ' a p p l i c a t i o n du cycle accumulation-restitution de l'énergie ne se comptent plus et sont présents à l ' e s p r i t de tout un chacun.

Mentionnons simplement, dans un but d ' i l l u s t r a t i o n des propos précédents, t r o i s exemples.

Le chauffage des habitations par accumulation de nuit (directe ou par pompe à chaleur) est un but recherché par les producteurs d ' é l e c t r i c i t é a f i n d'uniformiser les charges électriques durant la journée et d ' a r r i v e r ainsi à f a i r e tourner les générateurs de manière continue et à augmenter la r e n t a b i l i t é de ces derniers.

Vu du côté u t i l i s a t i o n cette f o i s , un stockage d'énergie permet de récupérer et recycler une chaleur, autrement perdue,par un processus indus- t r i e l , vers une charge thermique dont les f r a i s d ' e x p l o i t a t i o n seront ainsi diminués.

La rencontre des besoins de chauffage des habitations par la con-

version thermique du rayonnement s o l a i r e est un challenge d ' i n t é r ê t croissant

avec les prix des énergies primaires. Les principaux avantages et désavan-

tages d'une t e l l e opération sont :

- 1.3 -

- niveau thermique de la charge thermique (20 à 50 C) facilement accessible à la technologie héliothermique;

- déphasage j o u r n a l i e r et saisonnier des déperditions thermiques de l ' h a b i t a t et de l ' é n e r g i e s o l a i r e .

Le report j o u r - n u i t de la chaleur d ' o r i g i n e s o l a i r e peut se f a i r e avec un investissement l i m i t é . En e f f e t , le stockage à mettre en oeuvre est de t a i l l e relativement r e s t r e i n t e puisque correspondant, en gros, aux déper- d i t i o n s journalières moyennes de l ' h a b i t a t i o n . De plus, c e l u i - c i cyclant de

l ' o r d r e de 100 à 200 f o i s par an, son amortissement ne devrait pas être f o r t e - ment grevé par son taux d ' u t i l i s a t i o n . En ce qui concerne l e report é t é - h i v e r , cette opération se heurte non seulement à la quantité de chaleur à déplacer et par conséquent au volume de stockage à mobiliser, mais en plus au f a i b l e taux d ' u t i l i s a t i o n de c e l u i - c i puisque ne cyclant qu'une f o i s l ' a n . Par con- séquent, l'importance de l'investissement i n i t i a l et son f a i b l e taux de re- tour ne permettront de concrétiser l'accumulation saisonnière que si un maté- riau calostockeur et son contenant sont disponibles à très bas p r i x .

Etant donné l'importance du secteur domestique dans la consommation énergétique nationale (8.4 Mtep, s o i t 19% de la consommation énergétique

t o t a l e belge (1978) [ 1 ] ) , ce problème mérite d ' ê t r e analysé attentivement, d'autant plus que peu de progrès sont encore réalisés dans cette voie malgré les investissements consentis en recherche. Nous n'en voulons pour preuve que, aux USA en 1981, seuls 10% d'une production de 1.99 10^ [2] de c o l l e c - teurs s o l a i r e s , aient trouvé application dans le chauffage de l ' h a b i t a t , les autres 90% étant mis en oeuvre principalement dans le conditionnement thermique des piscines et de l'eau s a n i t a i r e .

En conséquence des problèmes mentionnés ci-dessus, la présente étude aura pour ambition, après la revue de synthèse qui s u i t , de proposer et d'analyser thermiquement et économiquement un système d'accumulation de chaleur i n t e r f a ç a n t les apports solaires g r a t u i t s avec les déperditions thermiques de l ' h a b i t a t .

Le domaine d'application ainsi f i x é pour le stockage en l i m i t e

la température à l ' i n t é r i e u r de l ' i n t e r v a l l e 20-80 C. La l i m i t e i n f é r i e u r e

constitue la température de confort de l ' ê t r e humain, la l i m i t e supérieure

- 1.4 -

étant dictée par les rendements des collecteurs solaires et les problèmes de surchauffe de l ' i n s t a l l a t i o n de chauffage. Outre ces contraintes thermiques, les problèmes d ' i n t é g r a t i o n a r c h i t e c t u r a l e du stockage devront rester à l ' é c h e l l e du volume de l ' h b b i t a t i o n , soulignant ainsi l'importance de la densité énergétique de l'accumulateur à c h o i s i r .

Cette double condition sur la température et la t a i l l e de l ' u n i t é d'accumulation servira de f i l t r e lors de l ' é v a l u a t i o n des solutions poten- tiellement o f f e r t e s par la l i t t é r a t u r e et l e marché.

1.2 Les systèmes solaires a c t i f s et leurs accumulateurs

Avant de pousser plus l o i n cette analyse de l'accumulation d'énergie s o l a i r e , i l convient de rappeler la composition d'un système solaire et la

fonction de chacun de ses éléments de t e l l e sorte que leurs i n t e r a c t i o n s , évoquées au long de ce t r a v a i l , trouvent un support.

Tout d'abord, i l sera entendu par système solaire a c t i f un ensemble d'éléments dont la seule et unique fonction est la conversion thermique du rayonnement s o l a i r e dans le but de rencontrer en tout ou en p a r t i e une charge thermique, i c i considérée comme étant les déperditions d'une habitation.

Cette d é f i n i t i o n et son i l l u s t r a t i o n feront l ' o b j e t de plus amples d é t a i l s au chapitre 5.

Au niveau des systèmes solaires a c t i f s orientés vers le condition- nement thermique de l ' h a b i t a t , deux philosophies d i s t i n c t e s se présentent suivant l e type de f l u i d e caloporteur préconisé:

- les systèmes à eau;

- les système à a i r .

1.2.1 Sys^tème^s_sol a_i£e£ a.cjti f s_à_ea^u

La f i g u r e 1.1 reprend l e schéma de principe d'un système à eau.

Le t r i p l e t production-stockage-charge s ' y retrouve clairement sous la forme de la boucle c o l l e c t e u r s , du stockage et de la boucle u t i l i s a t i o n . La bat- t e r i e de collecteurs plans assure, sous un rendement décroissant avec la

température d'entrée de l ' e a u , la conversion thermique du rayonnement s o l a i r e

et le t r a n s f e r t de la chaleur résultante vers l ' e a u . Sous l ' a c t i o n du c i r -

- 1.5 -

culateur P^, l'eau abandonne ensuite cette chaleur au système de stockage au travers d'un échangeur de chaleur HXj (imposé légalement par la présence d ' a n t i g e l dans l'eau de la boucle de collection) . Le système de stockage, constitué d'une cuve d'eau isolée, accumule par élévation de température

(chaleur sensible) l ' é n e r g i e qui l u i est remise. I l la d é l i v r e , lorsque requise par l ' h a b i t a t i o n , au travers d'un second échangeur de chaleur, HX2, q u i , dans la pratique, prend la forme de radiateurs, de planchers rayonnants basse température ou encore de ventiloconvecteurs. Cet ensemble thermique est supervisé par un système de contrôle activant en temps voulu les deux c i r c u l a t e u r s suivant des c r i t è r e s optimisant le rendement de l ' i n s t a l l a t i o n .

Les points f o r t s du système eau sont m u l t i p l e s , tenant à la haute densité énergétique de l'eau (4.18 MJ/m^) et à son abondance n a t u r e l l e . L'eau permet de remplir la double fonction de f l u i d e caloporteur et calostockeur, s i m p l i f i a n t ainsi à l'extrême la conception de la cuve de stockage. De plus, e l l e est facilement transportable sous un f a i b l e encombrement, point impor- t a n t lors de l ' i n t é g r a t i o n dans la bâtiment. Enfin, e l l e est pratiquement g r a t u i t e , réduisant ainsi l e prix du stock à sa p a r t i e contenant et i s o l a t i o n . Au niveau pratique, les systèmes à eau s'appuyent sur des techniques de plom-

berie éprouvées. L'ensemble de ces avantages s ' i l l u s t r e concrètement au travers des 97% du marché solaire américain 1981 occupé par les systèmes à eau [ 2 ] .

Ces systèmes présentent également certains désavantages. Les deux échangeurs, HX^ et HX2, ont pour e f f e t de relever l e niveau thermique d'entrée des collecteurs e t , a i n s i , d'en diminuer le rendement. La d u a l i t é du r ô l e de l'eau s'estompe quelque peu à ce niveau, puisque ne permettant pas d ' é v i t e r le recours à ces échangeurs de chaleur. Au niveau pratique, une f u i t e dans le c i r c u i t aura des conséquences dévastatrices, notamment sur 1 ' i s o l a t i o n .

Au niveau du stockage lui-même, la configuration interne des cuves

a i n s i que les débits d'alimentation et de soutirage usuellement préconisés,

ne permettent pas d'y maintenir une s t r a t i f i c a t i o n thermique favorable au

rendement des collecteurs (abaissement de la température d'entrée) et à la

charge thermique (élévation de la température d ' a l i m e n t a t i o n ) .

- 1.6 -

Cet état de f a i t est à l ' o r i g i n e de l'approche "cuve parfaitement mélangée" suivie par de nombreux auteurs [ 3 , 4 , 5 , 6 ] lors de leurs travaux de modélisation et de dimensionnement de systèmes solaires aqueux. De ceux-ci,

i l ressort que, pour assurer un stockage j o u r n a l i e r , la surface de captation d o i t être épaulée d'un stockage de 75 Ji/m^, donnant ainsi un ordre de gran- deur des volumes q u ' i l faudra intégrer dans l ' h a b i t a t . Les stockage aqueux usuels péchant par uniformité thermique, de nombreuses recherches sont menées sur le développement et le maintient d'une s t r a t i f i c a t i o n thermique [ 7 , 8 , 9 ] .

Etant donné son f a i b l e p r i x , l ' e a u constitue un milieu de choix pour le report saisonnier des gains solaires a c t i f s . Braun [4] démontre que les volumes à mettre en oeuvre pour accrocher la fréquence saisonnière sont de 1000 i/m^ de surface de captation. Deux solutions sont à ce niveau couramment envisagées thermiquement, l'accumulation en milieu naturel que constitue une nappe aquifère [11,12,13,14,15] et sous forme de cuves de grands volumes [18,19,20] qui , pour être plus coûteuse que la première, permet néanmoins un meilleur contrôle des déperditions thermiques, facteur fondamental en stockage de longue durée. Néanmoins, les problèmes thermi- ques et technologiques de stocks de t e l l e s ampleurs sont,j1e l ' a v i s d'observa- teurs [21], actuellement encore trop lourds pour en assurer la r e n t a b i l i t é .

1.2.2 Sys^tèrnes_solaires^ icl''f.s_â_aii^

La f i g u r e 1.2 reprend le schéma de principe d'une boucle s o l a i r e à a i r . Le t r i p l e t collecteurs-stockage-habitation, supervisé par une unité de contrôle, s'y retrouve de manière identique au c i r c u i t à eau. L ' a i r c o n s t i - tuant l'ambiance de confort de l ' h a b i t a t et ne présentant pas de problème de gel, les pôles de ce t r i p l e t sont r e l i é s par simple convection forcée, évitant a i n s i , à l ' i n v e r s e des systèmes à eau, le recours aux échangeurs de chaleur, toujours générateurs d ' i r r é v e r s i b i l i t é s .

Sous l ' a c t i o n de l ' u n i t é de contrôle, l e système s o l a i r e à a i r ren- contre de deux manières d i s t i n c t e s les déperditions de l ' h a b i t a t :

- apport d i r e c t via la configuration c o l l e c t e u r - h a b i t a t i o n (rendement o p t i - mum des c o l l e c t e u r s ) ,

- apport déphasé via les configurations successives collecteur-stockage et

stockage-habitation.

- 1.7 -

Le stockage de chaleur couramment retenu pour les systèmes à a i r est un l i t de c a i l l o u x qui, sur base de sa chaleur sensible, est chargé et déchargé par l e débit d ' a i r le traversant. Ce procédé, en plus de son f a i b l e coût, force une s t r a t i f i c a t i o n thermique en tout point favorable à l ' e f f i c a - c i t é de l ' o p é r a t i o n d'accumulation.

Le choix de l ' a i r comme f l u i d e caloporteur en f a i t un système de chauffe à f a i b l e i n e r t i e et insensible à toute f u i t e éventuelle^

Le problème thermique majeur des systèmes à a i r est un rendement de captation de l ' o r d r e de 10% i n f é r i e u r à celui des systèmes à eau, suite au pauvre t r a n s f e r t thermique entre l ' a i r et l'absorbeur s o l a i r e .

Au niveau pratique, les volumes mis en oeuvre sont importants tant pour le transport que pour le stockage de la chaleur. En e f f e t , l'empilement de c a i l l o u x se caractérise par une f a i b l e densité énergétique (1.22 MJ/m^ °C) conséquente d'une part de l'importante f r a c t i o n de vide entourant les c a i l - loux et d ' a u t r e part, de leur f a i b l e chaleur spécifique. Klein [22] é t a b l i t dans ces conditions qu'une surface de captation u n i t a i r e d o i t être doublée d'un volume de .25 m^/m^ de cailloux pour a r r i v e r à écrêter la fréquence j o u r n a l i è r e du rayonnement solaire.

Si le c i r c u i t se caractérise par l'absence d'échangeurs en t a n t que t e l s , l ' é n e r g i e solaire à déphaser vers la charge thermique subit deux t r a n s f e r t s successifs durant les opérations de charge et de décharge. Néan-

moins, les caractéristiques propres d'échange thermique de l'empilement compact que constitue l e l i t de cailloux sont de haute q u a l i t é et ne devraient donc

pas grever le rendement de l ' i n s t a l l a t i o n . En r e t o u r , les pertes de charge encourues par l ' a i r traversant le stock sont s i g n i f i c a t i v e s , entraînant une consommation parasite d'énergie noble à prendre en considération. Le stockage et ses imperfections n'affecteront que la voie déphasée des apports solaires a c t i f s , alors que dans le cas du c i r c u i t à eau, toute la chaleur débitée t r a n s i t e par l e tampon thermique et est donc soumise à ses i r r é v e r s i b i l i t é s .

Malgré les différences profondes entre les systèmes solaires à eau

et à a i r , Westhoff [24] rapporte, sur base de relevés comparatifs annuels,

une i d e n t i t é de leurs performances, prouvant ainsi que les ensembles de points

p o s i t i f s et négatifs repris ci-dessus se compensent.

1.8 -

Les recherches menées actuellement sur les accumulateurs à l i t de cailloux portent essentiellement sur l'observation expérimentale et sur la des- c r i p t i o n mathématique de leurs comportements thermiques en charge, décharge et relaxation [25,26,27,28,29,30]. Ces travaux aboutissent à des recommen- dations et des o u t i l s permettant le dessin optimum de ces stocks rocheux.

Peu d ' a t t e n t i o n a été j u s q u ' i c i accordée au stockage saisonnier dans les systèmes solaires à a i r , les ouvrages de base [24] se contentant d'étendre t e l l e s

quelles les conclusions obtenues pour les systèmes aqueux.

1.2.3 L:iniitat^io^n_d£ s^tocJ<a£e_et^

l O i . j;ie£her£h£ £r£pos£e I l résulte de l'étude comparative présentée que,pour une surface de captation de 50 m^, un volume de stockage de l ' o r d r e de 4 m^ et de 12 m^

seront respectivement requis par les systèmes solaires à eau et à a i r .

Ces c h i f f r e s démontrent à suffisance que les volumes de stockage à mettre en oeuvre poseront d'importants problèmes d ' i n t é g r a t i o n architectu- raux qui se répercuteront directement sur le prix de construction du b â t i - ment .

Par conséquent,il paraît u t i l e de rechercher des procédés d'ac- cumulation thermique qui a l l i e n t à une haute densité énergétique de bonnes propriétés de s t r a t i f i c a t i o n et d'échanges thermiques, tout cela en se main- tenant dans une enveloppe budgétaire minimum. Du succès de cette entreprise dépendra l ' a v e n i r économique du s o l a i r e a c t i f .

Dans cette optique, le stockage j o u r n a l i e r fera l ' o b j e t d'une a t t e n t i o n p a r t i c u l i è r e , sans pour cela négliger le saisonnier q u i , à coup sûr non rentable, n'en reste pas moins un sujet de haute c u r i o s i t é s c i e n t i - f i q u e . Et puis, sait-on jamais, ce qui est i n t é r ê t g r a t u i t a u j o u r d ' h u i , peut avoir un impact pratique demain.

1.3 Stockage thermique à haute densité

Le recours au changement d ' é t a t permet d'augmenter s u b s t a n t i e l l e -

ment la densité thermique d'un accumulateur.

- 1.9 -

1.3.1 C^ha^ngemejit_cl^ét^ajt s^ob'd^e-ljj^qu^ide

Les stockages thermiques en chaleur de fusion reposent sur le chan- gement d ' é t a t de substances t e l l e s que les paraffines ou les sels hydratés.

Les densités c a l o r i f i q u e s de ces matériaux couvrent une gamme de 100 à 400 MJ/m3 et ce avec une grande variété de températures de fusion.

Le Matériau à Changement de Phase (MCP) d o i t être conditionné de manière t e l l e à assurer d'une part le maintien spatial de la phase l i q u i d e et d'autre part l'échange de chaleur avec le f l u i d e caloporteur.

1.3.2 C^h£n£emejit_d^ét^at^ i''5."i'^^~£''£

Les stockages thermiques en chaleur de vaporisation reposent sur un couple de réactions réversibles d'ad/absorption entre lesquelles une phase gazeuse commune (vapeur d'eau, ammoniac, méthanol) est échangée.

Une l i s t e des couples gaz-ad/absorbant adaptés au stockage basse température (20-100 C) est donnée à la table 1.1.

Lors de l ' o p é r a t i o n de stockage (Fig. 1.3), une désorption endo- thermique de la phase gazeuse, alimentée par la source chaude (collecteurs s o l a i r e s ) , prend place dans le réservoir I , siège du sorbant I , sous une température et une pression de vapeur P j ( T i ) . Dans le réacteur I I , le gaz ainsi produit est alors condensé ou ad/absorbé sur le sorbant I I sous une température T2 < Ti et une pression de vapeur Pjj(R2) < P i ( T i ) , la cha- leur de cette réaction exothermique étant abandonnée à la source f r o i d e .

Cette dernière opération évite l e problème du stockage de la phase vapeur produite par l e réacteur I , n'en conservant en f a i t que l ' e x e r g i e

(pression de vapeur saturante) qui sera r é u t i l i s é e l o r s de l ' o p é r a t i o n de r e s t i t u t i o n pour conduire un cycle pompe à chaleur relevant les calories de la source f r o i d e vers la charge thermique [32].

Lors de la décharge, le réacteur I I est le siège d'une évaporation ou d'une désorption à température T3 < T2 et à pression de vapeur

PllC^a) < P j j ( T 2 ) , alimentée par la source f r o i d e qui r e s t i t u e a i n si les

calories q u ' e l l e avait précédemment reçues. Le gaz est alors réad/absorbé

- 1.10 -

exothermiquement dans le réacteur I sous une température T^^ > T3 et une

pression saturante PjCTi^) < P j j ( T 3 ) . La chaleur de réaction, e f f e t u t i l e , est délivrée à la charge thermique.

Le stockage chimique est donc la mise en série d'une pompe à cha- leur chimique et d'un stock constituant une source f r o i d e . L ' e f f i c a c i t é du stockage chimique sera donc intimement t r i b u t a i r e de ces deux éléments.

L'idée de ne r e t e n i r que l ' e x e r g i e ( l ' é n e r g i e l i b r e ) de la phase gazeuse permet de réduire singulièrement le volume d'encombrement du stockage que constitue la pompe à chaleur chimique. C'est ainsi que pour les couples gaz-sorbant repris à la Table 1.1, des densités c a l o r i f i q u e s de 800 MJ/m^ sont accessibles.

Néanmoins, ce c h i f f r e sera t r i b u t a i r e de l ' a p t i t u d e de la source f r o i d e à r e s t i t u e r la chaleur qui l u i aura été fournie [33] et donc de son volume, de son i s o l a t i o n . Les sources froides généralement préconisées

[32, 33] en série avec la pompe à chaleur chimique sont l ' a i r ambiant et ilie sol. Etant considérées comme g r a t u i t e s et facilement accessibles, i l n'en est jamais tenu compte dans les densités énergétiques de ces systèmes.

1.3.3 C^ompa_ra^i s^oji d^es^ s^to^cjçages^ ^ejisi^b^es^, à_ MC^,_et^ £himjq£es^

La table 1.2 reprend une comparaison des t r o i s procédés d'accumu- l a t i o n thermique j u s q u ' i c i présentés.

Bien que le stockage chimique se révèle maître en densité énergé- t i q u e , les problèmes physico-chimiques et de mise en oeuvre auxquels i l se heurte actuellement, reportent son i n d u s t r i a l i s a t i o n à moyen et long terme.

De plus, les températures de sources chaudes q u ' i l r e q u i e r t sont d i f f i c i l e - ment accessibles par voie solaire^ Enfin, i l reste t r i b u t a i r e d'un important stock sensible ( a i r ou sol) dont les déperditions thermiques sont d i f f i c i l e - ment contrôlables.

Le stockage dans lesMCP, bien que moins dense que son équivalent

chimique, o f f r e une large plage d ' a p p l i c a t i o n en température, permettant de

marier de manière optimale les collecteurs solaires avec la charge thermique

- 1.11 -

d'un habitat. De plus, sa haute densité thermique concentrée au niveau de la température de fusion, devrait réduire les problèmes d ' i s o l a t i o n par rap- port à la solution sensible. Enfin, les MCP font l ' o b j e t depuis peu d'une commercialisation sous divers conditionnements, indiquant par la même l ' i n - t é r ê t à court terme pour ce procédé d'accumulation thermique à température constante et le besoin d'informations au sujet de leur u t i l i s a t i o n optimale.

En conséquence de quoi, le présent t r a v a i l s'attachera principalement aux stocks reposant sur les matériaux à changement de phase.

Pour les systèmes solaires, le stockage à MCP se présente essen- tiellement comme candidat de remplacement du l i t rocheux, la densité c a l o r i - fique de l'eau ne j u s t i f i a n t pas a p r i o r i l'opportunité de sa s u b s t i t u t i o n

[34]. C'est donc dans le cadre des systèmes à a i r que la suite de cette thèse sera développée.

1.4 Stockage thermique à MCP

Tout accumulateur thermique à MCP repose sur les t r o i s éléments suivants :

- le MCP;

- le conditionnement du MCP;

- un échangeur de chaleur (encore appelé matrice de stockage).

Le conditionnement du MCP est intimement l i é d'une part au MCP (problème de c o m p a t i b i l i t é chimique) et d'autre part àl'échangeur de chaleur dont i l f a i t généralement partie intégrante.

Par conséquent, le développement d'un accumulateur thermique à MCP implique une double recherche :

- étude du MCP et de sa compatibilité chimique avec les matériaux de conditionnement;

- étude de 1'échangeur thermique interfaçant le MCP et le f l u i d e caloporteur.

L'organigramme présenté à la Fig.1.4 concrétise ces deux facettes

de l ' é t u d e de l'accumulation thermique dans les MCP.

- 1.12 -

1.4.1 les^ rnajbéria^ux cha^n£eme]it_de £h£se

Les recherches menées sur les MCP se répartissent en deux catégories - répertoire des MCP et de leurs propriétés thermiques;

- résolution de leurs problèmes physico-chimiques.

L'ensemble des ces travaux ont f a i t l ' o b j e t d ' a r t i c l e s de synthèses [35, 36, 37, 38] desquels sont e x t r a i t s les renseignements qui suivront sur les MCP.

Les c r i t è r e s physico-chimiques et économiques que d o i t rencontrer un MCP pour s e r v i r de calostockeur dans une boucle énergétique, sont r e p r i s à la table 1.3. C'est donc en fonction de ceux-ci que les diverses familles de MCP seront comparées.

L'ensemble des MCP couvre de manière continue la gamme de tempéra- tures de fusion 0-100 °C sur une large plage de chaleurs latentes (Fig. 1.5), ce qui leur permet potentiellement de rencontrer les desiderata de niveaux thermiques et de densités c a l o r i f i q u e s d'un grand nombre d'applications énergétiques basse température.

Les MCP se divisent en substances organiques (p a ra f f i ne s, acides gras) et inorganiques (sels hydratés, eutectiques).

De la f i g u r e 1.5, i l ressort que les substances organiques ainsi que les eutectiques inorganiques présentent des chaleurs latentes volumiques de 150 à 200 GJ/m^ alors que celles des sels hydratés, sur la même plage

de températures de fusion, sont pratiquement doubles puisque tombant entre 250 et 450 GJ/m^.

Par la s u i t e , ne seront considérés que les paraffines et les sels

hydratés, les acides gras présentant des propriétés semblables aux paraffines

si ce n'est un prix plus élevé et les eutectiques ayant de f a i b l e s densités

calorifiques associées à de hautes températures de fusion.

- 1.13 - 1.4.1.1 Les_garaffines

La tables 1.4a reprend les propriétés thermiques de quelques paraf- f i n e s .

Les paraffines se caractérisent par de f a i b l e s densités c a l o r i f i q u e s et ce à cause de leur f a i b l e masse spécifique (800 kg/m^). De plus, e l l e s

ont de f a i b l e s c o n d u c t i b i l i t é s thermiques (.2 W/mC).

Les paraffines fondent de manière congruente, é v i t a n t ai n si t o u t problème de décantation et de vieillissement aux cycles thermiques. Lors de leur s o l i d i f i c a t i o n , e l l e s ne présentent pas de surfusion. Par conséquent, les paraffines se comportent idéalement dans le changement de phase.

Enfin, e l l e s ne présentent aucun problème de décomposition dans l e temps. Par contre, e l l e s ont tendance à dissoudre les matériaux plastiques [ 3 7 ] , ce qui peut poser un problème pour leur conditionnement. Elles sont de plus inflammables, astreignant leur intégration dans l e bâtiment à des mesures de sécurité.

Au niveau économique, leur p r i x , bien que dépendant de la p a r a f f i n e envisagée, est plus élevé à performance égale que celui des sels hydratés [ 3 5 ] .

1.4.1.2 Les_sels_hYdratés

La table 1.4c reprend les propriétés thermiques des principaux sels hydratés.

Les atouts de ces substances sont leur haute densité c a l o r i f i q u e et leur d i s p o n i b i l i t é à bas prix (sous-produits de processus i n d u s t r i e l s chimiques). I l s possèdent de plus des c o n d u c t i b i l i t é s thermiques plus élevées que les paraffines (1 W/mC), ce qui f a c i l i t e r a le t r a n s f e r t thermique MCP- f l u i d e caloporteur et donc minimisera les i r r é v e r s i b i l i t é s associées à l ' o p é - r a t i o n de stockage.

Par contre, la plupart d'entre eux sont s o i t pseudocongruents

(Fig. 1.6a), s o i t incongruents (Fig. 1.6b), s i g n i f i a n t par là que, l o r s de

sa l i q u é f a c t i o n , l ' h y d r a t e s a l i n se décompose en une phase l i q u i d e et un

- 1.14 -

hydrate s a l i n d ' o r d r e i n f é r i e u r q u i , sous l ' e f f e t de l a g r a v i t é , décante.

Ce dernier ne pourra donc plus être recombiné à l a phase l i q u i d e lors de la s o l i d i f i c a t i o n , entraînant a i n s i une rapide dégradation du MCP et, par voie de conséquence, de ses propriétés d'accumulation thermique.

Remède est désormais appointé à ces problèmes [39, 40] en chargeant l e MCP d'une s t r u c t u r e fibreuse continue qui r é a l i s e des c e l l u l e s microsco- piques au sein desquelles les produits de l i q u é f a c t i o n (phase aqueuse et hydrate s a l i n d'ordre i n f é r i e u r ) sont l i t t é r a l e m e n t f i x é s , empêchant a i n s i t o u t processus de ségrégation et donc de dégradation du MCP.

Le problème de 1'incongruence peut également ê t r e c o u r c i r c u i t é s o i t en appliquant l e p r i n c i p e de l'eau en excès [41, 42] s o i t en modifiant l e

diagramme des phases lorsque possible [ 4 3 ] . Néanmoins, ces solutions sont entachées d'une importante perte de densité thermique pour la première et d'un manque de confirmation des r é s u l t a t s annoncés pour la seconde.

En plus de leur problème de congruence, les sels hydratés sont l e siège d'une surfusion importante l o r s de la s o l i d i f i c a t i o n . La surfusion se manifeste par le maintient en phase l i q u i d e du MCP en-dessous de la tempé- rature de fusion et ceci à cause de l'absence de s i t e de nucléation. Les solutions proposées consistent à ensemencer l e MCP de germes de c r i s t a l l i - sation (agents épitaxiques) ou a maintenir en phase solide une f r a c t i o n de c e l u i - c i .

Les sels hydratés se sont révélés compatibles avec les matières plastiques e t , en l'absence d ' a i r , avec divers métaux.

L'ensemble des recherches entreprises pour résoudre les problèmes de s t a b i l i t é et de surfusion de sels hydratés se concrétisent depuis peu par la commercialisation de produits g a r a n t i s . Solvay & Cie fabrique i n d u s t r i e l - lement l e Casotherm 281 [ 4 0 ] , à base de CaC£2-6H20, s t a b i l i s é avec une t e r r e diatomée et ensemencé de SrC£2 comme agent épitaxique.

1.4.1.3 Çoncl^usions_sur_les_MCP

Les paraffines ont de f a i b l e s densités thermiques v i s à v i s des sels

hydratés. De plus, leur comportement idéal en changement de phase ne con-

- 1.15 - s t i t u e plus un avantage à l'heure a c t u e l l e .

Les sels hydratés o f f r e n t dès à présent,en plus de leur haute den^

s i t é c a l o r i f i q u e , une s t a b i l i t é aux cycles thermiques ainsi qu'une absence de surfusion, l e tout pour un f a i b l e p r i x . Par conséquent, c ' e s t vers eux que se tournera p r i o r i t a i r e m e n t le choix d'un MCP à des f i n s d'accumulation thermique.

Dans le cadre de la présente étude, l ' a t t e n t i o n se concentrera sur la CaC£2-6H20, grâce à sa température de fusion de 29 °C, t o u t p a r t i c u l i è r e - ment indiqué pour chauffage de l ' h a b i t a t par énergie s o l a i r e .

I l r é s u l t e de cette revue des problèmes physico-chimiques des MCP que ceux-ci sont pratiquement tous solutionnés et que la branche "étude du MCP" de l'organigramme de développement d'un accumulateur à MCP (Fig. 1.4) est remplie.

1.4.2 £o nd U^ojn neme^n t^ d^u_MC^P

Le conditionnement du MCP d o i t s a t i s f a i r e les c r i t è r e s suivants pour son matériau et sa géométrie :

- imperméable à la vapeur d'eau dans le cas des sels hydratés;

- chimiquement i n e r t e avec le MCP;

- mécaniquement r é s i s t a n t pour reprendre les changements de volume du MCP;

- favorable à l'échange de chaleur f l u i d e caloporteur - MCP.

Les t r o i s premiers points sont rencontrés aisément dans l e cas des sels hydratés par le choix s o i t du polyéthylène haute densité [ 3 6 ] , s o i t du latex [38] ou encore de l ' a c i e r [35, 36].

Trois géométries de conditionnement sont généralement envisagées:

- conditionnement discontinu du MCP calostockeur;

- conditionnement continu du MCP calostockeur;

- conditionnement continu à contact d i r e c t entre le f l u i d e caloporteur et

le MCP.

- 1.16 - 1.4.2.1 Çonditionnement_disconti^

La masse de MCP requise pour un accumulateur thermique est f r a c - tionnée en éléments, chacun d'eux f a i s a n t l ' o b j e t d'une encapsulation i n d i - v i d u e l l e . Les capsules peuvent avoir diverses formes, sphériques, tubulaires, boîtes rectangulaires ou c y l i n d r i q u e s , poches.

Les avantages de cette approche modulaire sont : - production i n d u s t r i e l l e aisée des capsules de MCP;

- f a c i l i t é de r é a l i s a t i o n de la cuve d'accumulation;

- l e conditionnement du MCP est indépendant de la cuve d'accumulation, spéci- fique à chaque a p p l i c a t i o n , ouvrant ainsi de larges débouchés au produit calostockeur proposé (une même capsule de MCP pourra s e r v i r en solaire a c t i f , passif ou récupération de chaleurs perdues).

De plus, 1'encapsulation du MCP réduit les distances de ségrégation p o t e n t i e l l e , améliorant ainsi les propriétés de tenue aux cycles thermiques de sels hydratés [44].

Les accumulateurs à MCP encapsulé sont en général caractérisés par d'importantes surfaces et c o e f f i c i e n t s d'échange thermique, assurant ainsi un contact intime entre le MCP et le f l u i d e caloporteur. Les i r r é v e r s i b i l i t é s thermiques associées à l ' o p é r a t i o n de stockage de chaleur devraient donc y être minimisées. Ces qualités d'échange se payent néanmoins en pertes de charge.

Grâce aux qualités intrinsèques du MCP encapsulé, tous les systèmes de stockage à MCP commercialisés à l'heure actuelle le sont sous cette forme modulaire (Chapitre 5) reléguant les autres types de conditionnement au niveau laboratoire.

1.4.2.2 Çonditioni3ement_conti nu_du_M^

Dans cette approche, le MCP forme au sein de la cuve de stockage un milieu continu, interface avec le f l u i d e caloporteur au travers d'une surface d'échange se matérialisant par un faisceau t u b u l a i r e , un échangeur à plaque ou encore un serpentin.

Cette solution reporte l'ensemble des problèmes au niveau de la

- 1.17

cuve d'accumulation, qui doit contenir d'une part le MCP et assurer d ' a u t r e part son contact thermique avec le f l u i d e caloporteur. L'aspect modulaire n'est plus i c i retrouvé: chaque application nécessitera son dessin propre d ' u n i t é de stockage.

Par contre, la cuve réalisée, son chargement en MCP sera obtenu par simple déversement de sa phase liquide dans le système. Cette opération peut néanmoins poser quelques problèmes avec les sels hydratés actuellement commercialisés (Casotherm 281) dont la phase l i q u i d e est très épaisse.

Ce mode de conditionnement f o u r n i t au MCP de grandes distances de ségrégation p o t e n t i e l l e qui ne sont pas favorables à la tenue des sels hy- dratés au cyclage thermique.

Enfin, cette solution o f f r e des surfaces d'échange en général moins importantes que 1'encapsulation, diminuant d'autant la q u a l i t é de l'échange thermique entre le MCP et le f l u i d e caloporteur.

L'ensemble des désavantages auxquels est a p r i o r i attaché le con- ditionnement continu du MCP a j u s q u ' i c i repoussé sa commercialisation, bien que sa r é a l i s a t i o n ne se heurte à aucun problème technologique.

1.4.2.3 Çonditionnement_continu

La masse de MCP est placée à l ' i n t é r i e u r d'une cuve, oû e l l e échange sa chaleur par contact d i r e c t avec un f l u i d e non miscible i n j e c t é en bas de la cuve et récupéré au sommet de c e l l e - c i .

Les avantages de cette approche sont :

- excellent contact thermique entre le MCP et le f l u i d e caloporteur;

- s i m p l i c i t é de la cuve d'accumulation, mis à part les i n j e c t e u r s ;

- a g i t a t i o n du MCP en tout point favorable à sa tenue au cyclage thermique et à l'absence de surfusion.

Néanmoins, de nombreux problèmes restent à résoudre au niveau de

l ' o b s t r u c t i o n des i n j e c t e u r s , des canalisations et des pompes par le MCP

solide [45].

- 1.18 -

La concrétisation i n d u s t r i e l l e de cette approche ne devrait se f a i r e qu'à moyen terme puisqu'au prix de la résolution de ces problèmes technologiques ,

1.4.2.4 Concl^usions_sur_le_conditionn^

Les t r o i s classes de conditionnement du MCP décrites ci-dessus o f f r e n t des éléments de réponse au premier pas de la branche "développement de l'échangeur de chaleur" de l'organigramme (Fig. 1.4) de R&D d'un accumu- lateur thermique à MCP.

L'encapsulation du MCP ainsi que sa mise en contact d i r e c t avec le f l u i d e calostockeur présentent des caractéristiques d'échange thermique a p r i o r i meilleures que celles du conditionnement continu.

Néanmoins, aucune étude comparative c h i f f r é e n'a été j u s q u ' i c i pré- sentée entre ces diverses solutions.

La présente thèse se l i m i t e r a à considérer le conditionnement d i s - continu et continu du MCP, négligeant l'approche contact d i r e c t , trop éloignée actuellement d'une application concrète.

1.5 Lacunes dans la recherche et le développement des accumulateurs à MCP

La l i t t é r a t u r e o f f r e dès à présent de nombreuses réponses aux pro- blèmes que pose la branche "recherche sur le MCP" de l'organigramme de R&D d'un accumulateur à MCP (Fig. 1.4). Les questions encore en suspens à ce niveau (comportement à très long terme des sels hydratés) font actuellement l ' o b j e t de recherches intensives de la part d ' i n d u s t r i e s chimiques t e l l e s que Solvay & Cie, Dow Chemical ou encore Pennwalt.

Par contre, de nombreuses inconnues subsistent au niveau de la branche "développement de l'échangeur thermique" (Fig. 1.4), élément d ' i n t e r - face entre le MCP et de la boucle énergétique qui l ' e n t o u r e .

Bien que diverses géométries de conditionnement soient proposées

(§ 1.4.2), aucune étude comparative n'a été j u s q u ' i c i présentée e t , q u i plus

- 1.19 -

est, aucune recommandation n'est émise quant au dimensionnement interne des cuves à MCP.

I l ressort d'une analyse bibliographique qui sera présentée progres- sivement au cours de ce t r a v a i l , que la majorité des recherches entreprises j u s q u ' i c i ne s'attache à résoudre qu'un aspect p a r t i c u l i e r de la branche thermique, sans se soucier des connexions qu'il peut avoir avec ses v o i s i n s . Celles-ci sont en général considérées au travers d'hypothèses s i m p l i f i c a t r i c e s qui l i m i t e n t fortement la portée des conclusions de ces travaux.

L'ensemble des études publiées se répartissent entre les sujets suivants :

- étude théorique et expérimentale du changement de phase au sein d'une capsule élémentaire de MCP soumise à des conditions i n i t i a l e s et aux l i m i t e s idéales f o r t éloignées de la r é a l i t é ;

- étude numérique et expérimentale du comportement thermique d'accumulateur à MCP, à nouveau sous des hypothèses et conditions i n i t i a l e s et dans des l i m i t e s incompatibles avec tout fonctionnement r é a l i s t e de ces systèmes;

- analyse numérique de l'impact d'un stock thermique sur un système s o l a i r e a c t i f , et ce à p a r t i r de modèles d'une s i m p l i c i t é extrême (absence de pertes thermiques, échange de chaleur p a r f a i t entre le MCP et le f l u i d e caloporteur, comportement idéal du MCP).

Malgré ces recherches, aucune argumentation c h i f f r é e n'a été, à notre connaissance, développée sur l ' o p t i m i s a t i o n des dimensions d'encapsulation du MCP, intégrant à la f o i s les facteurs d'échanges thermiques interne et externe au MCP, et les pertes de charge du f l u i d e caloporteur.

De plus, l'ensemble des e f f o r t s de modélisation thermique se con- centre toujours sur l ' u n des t r o i s modes de fonctionnement du stock, charge, décharge et relaxation,sans t e n i r compte de la succession temporelle qui les

u n i t dans la r é a l i t é .

Enfin, la majorité des travaux se l i m i t e n t à l ' a s p e c t j o u r n a l i e r , seul Braun [4] présentant, pour les systèmes à eau, des conclusions encoura-

geantes pour les MCP au niveau saisonnier.