Hybrid envelop design for passive building
Enveloppe hybride pour bâtiment à haute performance énergétique
Résumé
This work lies within the framework of low energy consumption building envelope. A new concept of hybrid envelope is proposed: in winter, space heating is ensured by thermal solar air collectors associated with inertial panels (containing phase change materials). The air flows into cavities located all around the envelope, and brings the collected energy to the inertial panels. In summer, overheat absorbed by inertial panels is discharged at night with an over-ventilation through the cavities, in an open loop configuration. A global analytical model was developed in the TRNSys environment. An instrumented experiment is realized in real size test cell (40m3) to study the physics of the envelope, and to validate the model in natural and forced convection. A specific rig is held for the phase change materials. The influences of the natural convection within the liquid phase are highlighted, as well as the variability of the phase transition characteristics with various boundary conditions. The most important parameters are identified using a global sensitivity analysis method (FAST). Parametric studies show the interest of such a system: reductions from 30% to 50% are obtained on heating loads; the number of overheating hours is clearly reduced and even cancelled. For equivalent loads, 1cm thickness of inertial panels is enough for latent heat storage, against 5 to 8cm for sensible heat storage, according the climate.
Ce travail s'inscrit dans la thématique des enveloppes de bâtiment à haute performance énergétique. Un nouveau concept d'enveloppe hybride est proposé : en hiver, le chauffage est assuré par des capteurs solaires thermiques à air associés à des panneaux d'inertie (avec matériaux à changement de phase). Une circulation d'air, dans des cavités au sein de l'enveloppe, transporte l'énergie des capteurs jusqu'au stockage ; en été, les surplus de chaleur sont absorbés dans les panneaux d'inertie puis évacués la nuit par une sur-ventilation des cavités d'air en boucle ouverte. Un modèle analytique global a été développé dans l'environnement TRNSys. Une maquette à l'échelle 1:1 (volume intérieur de 40m3), instrumentée, permet d'étudier la physique de l'enveloppe, et de valider le modèle en convection naturelle et forcée. La validation d'un modèle de transition de phase fait l'objet d'essais spécifiques. L'influence de la convection naturelle en phase liquide, ainsi que la variabilité des caractéristiques de transition de phase suivant les dynamiques des sollicitations sont mises en évidence. Les paramètres influents sont identifiés à l'aide d'une méthode d'analyse de sensibilité globale (FAST). Des études paramétriques montrent l'intérêt du système proposé : des réductions de 30% à 50% sont obtenues sur les consommations de chauffage, le nombre d'heures de surchauffe est nettement réduit, voir annulé. A consommations équivalentes, les épaisseurs des panneaux d'inertie sont de 1cm pour un stockage par chaleur latente, contre 5 à 8cm selon les climats pour un stockage par chaleur sensible.
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