23 Octobre – Soutenance Thèse Maria De Los Ángeles ORTEGA DEL ROSARIO
14 h Ecole Nationale Supérieure d’Arts et Métiers, Esplanade des Arts et Métiers, 33400 Talence, Amphi B
Sujet : Système de stockage et transfert d'énergie par chaleur latente adaptable au rafraîchissement d'air en bâtiments : conception et analyse thermique
Membres du jury:
Mme. Marjorie Musy | Directrice de Recherche, Cerema Nantes | Rapporteur |
M. Laurent Zalewski | PU, Université d'Artois | Rapporteur |
M. Jean-Pierre NADEAU | PU émérite, ENSAM Bordeaux-Talence | Examinateur |
M. Julio RODRIGUEZ | Prof., Universidad de Tecnológica de Panamá | Examinateur |
M. Denis BRUNEAU | Prof. ENSA - HDR, ENSAP Bordeaux | Directeur de Thèse |
M. Patrick SEBASTIAN | MCF-HDR, Université de Bordeaux | Co-directeur de Thèse |
M. Wahbi JOMAA | PU, Université de Bordeaux | invité |
M. Saed RAJI | IR, Nobatek-INEF4 | invité |
Résumé:
Ces travaux de thèse visent à concevoir et étudier une unité d'échangeur de chaleur air-MCP en tant que solution passive a la problématique du contrôle de confort thermique dans les bâtiments pendant l'été, fournissant des directives de conception et une intégration facile aux bâtiments. Les MCP présentent une grande capacité de stockage par unité de volume, ce qui leur permet de contribuer à la réduction de la consommation d'énergie liée aux applications de rafraîchissement. Bien qu'ils présentent certains inconvénients, en tant que faible conductivité thermique, notamment dans les PCM commerciaux, une conception bien détaillée est nécessaire pour atteindre des performances thermiques adéquates.
La première partie de cette thèse examine les systèmes existants à travers une revue de la littérature, mettant en évidence la relation géométrique avec la physique et la performance thermique. Cette recherche a fourni les bases pour le développement d'une conception d'une unité air-MCP, suivant une méthodologie de résolution de problèmes développée par le laboratoire I2M. Une matrice de mots-clés a été obtenue à partir des phénomènes physiques et de l'analyse fonctionnelle de l'unité. A partir de cette matrice, l'analyse des brevets a inspiré la conception qui a abouti à un échangeur de chaleur air-PCM à faisceau tubulaire avec des tubes verticaux alignés perpendiculairement au flux d'air.
Les lignes directrices de conception ont été réalisées en suivant des approches expérimentales et de modélisation. Des approches expérimentales locales et globales ont permis de comprendre la physique associée aux cycles de charge et de décharge dans l'unité. Pour cela, un banc d'essai a été installé, mesurant la température et le débit d'air dans différentes conditions d'entrée, accompagné d'un suivi visuel à travers des images numériques. Les traitements d'images et des données ont été utilisés pour obtenir des indicateurs de performance thermique et des corrélations équivalentes en utilisant des nombres adimensionnels connus pour les mécanismes de transfert de chaleur convectifs-conducteurs dans le PCM. Ces découvertes ont permis de développer des modèles de résistance thermique et d'enthalpie qui rendent compte de la complexité des phénomènes impliqués dans l'unité pour la prédiction de la performance. Enfin, la performance thermique du système a été testée dans deux applications de bâtiments : en tant qu'unité mobile dans une maison PEH à Gradignan et en tant que façade active dans un bâtiment à Talence.
Abstract:
The present work aims to design and study an air-PCM heat exchanger unit as a passive solution for thermal comfort assessment in buildings during summertime, providing design guidelines and easy integration to buildings. PCM present a large storage capacity per volume unit whereby, they can contribute to the reduction of energy consumption related to cooling applications. Although, they show some drawbacks, as a low thermal conductivity in commercial PCM, so a well-thought design is necessary to achieve adequate thermal performances.
The first part of this thesis surveys the existing systems through a literature review, highlighting the geometry relation with the physics and thermal performance. This search provided the bases for the development of an air-PCM unit design, following a problem-solving methodology developed by the I2M laboratory. A keyword matrix was obtained from the physical phenomena and functional analysis of the unit. From this matrix, the patents analysis provided inspiration for the design resulting in a tube bundle air-PCM heat exchanger with vertical tubes aligned perpendicular to the airflow.
The design guidelines were achieved by following experimental and modeling approaches. Local and global experimental approaches delved into an understanding of the physics associated with charging and discharging cycles in the unit. For this, a test bench was installed, measuring temperature and airflow under different inlet conditions, accompanied by a visual tracking through digital images. Image and data processing were used to obtain thermal performance indicators and equivalent correlations using known dimensionless numbers for convective-conductive heat transfer mechanisms in the PCM. These findings allowed the development of thermal resistance and enthalpy models that accounted for the complexity of phenomena involved in the unit for performance prediction. Finally, the thermal performance of the system was tested in two buildings applications: as a mobile unit in a PEH house in Gandingan and as an active façade in a building in Talence.
