Modeling of Thermal Mass Energy Storage in Buildings with Phase Change Materials

La masse thermique d'un bâtiment est un paramètre-clé qui détermine la capacité d'un bâtiment à atténuer les variations de température en son sein et d'assurer ainsi un meilleur confort thermique aux occupants. Afin d'augmenter l'inertie thermique de bâtiments à structure légère, des matériaux à changement de phase (MCP) peuvent être utilisés. Ces matériaux offrent en effet une haute capacité de stockage d'énergie (notamment sous forme latente) et un changement de phase à température quasiment constante. Ils s'intègrent aussi parfaitement dans des projets de bâtiments à consommation énergétique nette nulle. L'intérêt actuel pour ceux-ci et pour de meilleures stratégies de gestion de l'appel de puissance requiert des outils capables de simuler des bâtiments hautement isolés possédant une masse thermique importante avec des pas de temps courts (inférieur ou égal à 5 minutes). Ceci représente un défi majeur pour les programmes actuels de simulation énergétique des bâtiments qui ont été développé initialement pour réaliser des calculs horaires. Le modèle de bâtiment utilisé dans le programme TRNSYS présente notamment certains problèmes dans ces circonstances. L'origine de ces problèmes provient de la méthode utilisée pour modéliser la conduction thermique dans les murs. Il s'agit de la méthode des fonctions de transfert. Pour un mur hautement isolé et lourd, la méthode est incapable de générer, pour un pas de temps court, les coefficients supposés représenter la réponse thermique du mur en question. De plus, cette méthode ne permet pas de définir des couches avec des propriétés thermophysiques variables, tels qu'affichés par des MCP. La modélisation de ces MCP est en outre limitée par les informations rendues disponibles par les manufacturiers, qui sont souvent incomplètes ou erronées. Finalement, les modèles actuels simulant des MCP dans les murs ne permettent pas de représenter toute leur complexité. Ceux-ci différencient rarement les processus de fusion et de solidification (hystérèse), prennent en compte occasionnellement la conductivité thermique variable et ne modélisent jamais le sous-refroidissement. Toutes ces problématiques sont soulevées dans cette thèse et des solutions sont proposées. La première partie (chapitre 4) traite de l'amélioration de la méthode des fonctions de transfert dans TRNSYS grâce à l'utilisation d'un modèle d'état qui permet de diminuer significativement les pas de temps utilisés. La résolution entière de cette problématique est ensuite atteinte en couplant dans TRNSYS un modèle de mur utilisant la méthode aux différences finies à la méthode des fonctions de transfert (chapitre 5).

Abstract

Building thermal mass is a key parameter defining the ability of a building to mitigate inside temperature variations and to maintain a better thermal comfort. Increasing the thermal mass of a lightweight building can be achieved by using Phase Change Materials (PCMs). These materials offer a high energy storage capacity (using latent energy) and a nearly constant temperature phase change. They can be integrated conveniently in net-zero energy buildings. The current interest for these buildings and for better power demand management strategies requires accurate transient simulation of heavy and highly insulated slabs or walls with short time-steps (lower than or equal to 5 minutes). This represents a challenge for codes that were mainly developed for yearly energy load calculations with a time-step of 1 hour. It is the case of the TRNSYS building model (called Type 56) which presents limitations when modeling heavy and highly insulated slabs with short time-steps. These limitations come from the method used by TRNSYS for modeling conduction heat transfer through walls which is known as the Conduction Transfer Function (CTF) method. In particular, problems have been identified in the generation of CTF coefficients used to model the walls thermal response. This method is also unable to define layers with variable thermophysical properties, as displayed by PCMs. PCM modeling is further hindered by the limited information provided by manufacturers: physical properties are often incomplete or incorrect. Finally, current models are unable to represent the whole complexity of PCM thermal behavior: they rarely include different properties for melting and solidification (hysteresis); they sometimes take into account variable thermal conductivity; but they never model subcooling effects. All these challenges are tackled in this thesis and solutions are proposed. The first part (chapter 4) focuses on improving the CTF method in TRNSYS through state-space modeling, significantly decreasing the achievable time-steps. A complete solution to this issue can be reached by implementing in TRNSYS a wall model using a finite-difference method and coupling it with the CTF method in Type 56 (chapter 5). The second part (chapter 6) proposes an in-depth characterization of thermophysical properties of a PCM used in different test-benches, i.e. the density (Appendix A), the thermal conductivity (Appendix B) and the thermal capacity.