Modeling and Experimental Validation of the Performance of Phase Change Material Storage Tanks in Buildings

Le stockage d'énergie thermique dans les bâtiments permet d'atténuer les pointes d'appel de puissance sur le réseau électrique et de synchroniser la demande énergétique à la disponibilité de ressources énergétiques renouvelables, telle l'énergie solaire. Les matériaux à changement de phase (MCP) peuvent être utilisés afin de permettre un tel stockage d'énergie thermique. Ceux-ci offrent une haute densité de stockage énergétique (principalement sous forme d'énergie latente) et un changement de phase à température quasiment constante. L'intégration de MCP dans un réservoir où circule un fluide caloporteur permet de créer un système de stockage actif. La charge et décharge énergétique du réservoir peuvent alors être contrôlées par le débit du fluide caloporteur envoyé dans le réservoir ou vers un contournement. Afin d'assurer une performance adéquate du réservoir de stockage à MCP dans un bâtiment, le comportement dynamique de celui-ci doit être prévisible. Or, le design du réservoir aura un impact crucial sur son fonctionnement : la température de changement de phase du matériau, la géométrie du réservoir et des capsules de MCP influenceront le comportement dynamique de celui-ci. Afin de permettre un design adéquat du réservoir, des outils permettant la simulation énergétique de tels systèmes sont nécessaires. Or, la modélisation du changement de phase, souvent basée sur une relation entre l'enthalpie et la température du matériau, présente certaines difficultés. Elle est, entre autre, limitée par les informations rendues disponibles par les manufacturiers, qui sont souvent incomplètes ou erronées. Les MCP ont aussi tendances à se comporter différemment lors de leur fusion et lors de leur solidification (i.e. présence d'hystérèse) et ils exhibent parfois des phénomènes de surfusion dont l'occurrence est plus stochastique que déterministe. De plus, peu de données expérimentales existent sur le comportement dynamique de tels réservoirs. Ainsi, les modèles numériques actuels sont limités à quelques géométries et rarement validés expérimentalement. Toutes ces problématiques sont soulevées dans cette thèse et des solutions sont abordées. La première partie (chapitre 4) offre une contribution à une méthode de caractérisation normalisée des matériaux à changement de phase, à travers une évaluation critique du traitement des données de la méthode « T-History ». Une proposition est faite quant à la variante qui devrait être adoptée pour déterminer la courbe enthalpie-température de MCP présentant une surfusion importante afin de fournir toutes les informations nécessaires pour la simulation numérique de leur comportement.