Development and characterization of shape-stabilized phase-change materials for the design of sustainable and innovative building envelopes
Développement et caractérisation de matériaux à changement de phase à forme stabilisée pour la conception d'enveloppes du bâtiment durables et innovantes
Résumé
This thesis work is part of the BioMCP project. The major innovation of this thesis work lies in the development and characterization of bio-composite materials. These materials, made up of biosourced PCMs impregnating the microporosity of plant matrices, have been developed with the aim of designing, characterizing and assessing the performance of innovative, sustainable building envelopes. To carry out this research, we adopted a multi-scale analysis from the material scale to the building scale, combining numerical and experimental approaches. On the experimental front, the potential of natural fibers as support materials for phase-change materials (PCMs) for buildings was assessed. Four types of natural fibers (fir pellets, hemp fibers, hemp shives and flax mulch) were shortlisted for the fabrication of form-stabilized PCM composites. Hemp shives was chosen because of its high impregnation rate (50 wt% in capric and lauric acid) and its effective application in buildings (through hemp concrete). The impregnated hemp shives were used to fabricate PCM-based hemp concrete (PCM bio-composite). The thermal and hydric properties of the manufactured materials has been assessed for better understanding of their behavior and create an input database for modeling. The incorporation of PCM has led to an improvement of the thermal properties of the reference concrete due to the increase in thermal inertia. In addition, the composite material showed excellent moisture regulation capacity. Moreover, the hygrothermal performance of the reference hemp concrete and PCM bio-composite were evaluated under La Rochelle climatic conditions in a bi-climatic chamber. The incorporation of PCM resulted in a 2°C reduction in peak temperature during heatwaves, reducing the need for cooling. This reduction in peak temperature can be explained by the high thermal inertia of the PCM bio-composites developed. The developed PCM bio-composite has demonstrated the ability to regulate both temperature and relative humidity. On the numerical side, a hygrothermal model based on energy and mass conservation equations was developed to simulate the behavior of reference and developed building materials. This model has been successfully validated using experimental data from bio-composite and recognized standards with good accuracy. The hygrothermal model was used to assess the performance of multi-layer walls with different insulating materials, including bio-composite, under the climatic conditions of Caracas and New Delhi. The walls incorporating bio-composite proved to be highly efficient. Their high inertia reduces the need for air-conditioning, thanks in particular to the time lag (several hours) between temperature maxima. A parametric study was also carried out to analyze the effect of insulating layer thickness and PCM fraction on the performance of the PCM bio-composite. Finally, a co-simulation approach was proposed to interface the model developed with a building-scale energy simulation model to assess the performance of these innovative, sustainable envelopes and their impact on building energy consumption. This approach was successfully validated, and led to improved prediction of the hydric behavior of walls, with a reduction in the gap between experimental data and simulation of 2%. It also demonstrated the need to introduce fine modeling of the hygrothermal behavior of building envelopes into dynamic simulation software.
Ces travaux de thèse s’inscrivent dans le cadre du projet BioMCP. L'innovation majeure de ces travaux de thèse réside dans le développement et la caractérisation de matériaux bio-composites. Ces matériaux, constitués de MCP biosourcés imprégnant la microporosité de matrices végétales, ont été élaborés dans le but de concevoir, caractériser et évaluer les performances d'enveloppes de bâtiment innovantes et durables. Pour mener à bien ces travaux de recherche, nous avons adopté une analyse multi-échelles allant de l’échelle du matériau à l’échelle du bâtiment en combinant des approches numériques et expérimentales. Sur le plan expérimental, le potentiel des fibres naturelles en tant que matériaux support pour les matériaux à changement de phase (MCP) destinés aux bâtiments a été évalué. Quatre types de fibres naturelles (sapin, chanvre, chènevotte et paillis de lin) ont été présélectionnés pour la fabrication de composites MCP à forme stabilisée. La chènevotte a été retenue en raison de son taux d'imprégnation élevé (50% dans les acides caprique et laurique) et d’une application déjà effective dans les bâtiments (à travers le béton de chanvre). La chènevotte imprégnée de MCP a été utilisée pour fabriquer du béton de chanvre à base de MCP (bio-composite MCP). Les propriétés thermiques et hydriques des matériaux fabriqués sont investiguées pour mieux appréhender leurs comportements et créer une base de données d’entrée pour la modélisation. L'incorporation de MCP a conduit à une amélioration des propriétés thermiques du béton de chanvre de référence due à une augmentation de l’inertie thermique. De plus, le matériau composite a montré une excellente capacité de régulation de l'humidité. Ensuite, les performances hygrothermiques d’une paroi de référence (béton de chanvre) et d’une paroi intégrant le bio-composite ont été évaluées dans les conditions climatiques de La Rochelle. L'incorporation de MCP a permis de réduire de 2°C la température maximale pendant les canicules, réduisant les besoins de refroidissement. Cette réduction du pic de température s’explique par la forte inertie thermique des bio-composite développés. Le bio-composite ainsi développé a démontré une capacité à réguler à la fois la température et l'humidité relative. Sur le volet numérique, un modèle hygrothermique basé sur les équations de conservation de l'énergie et de la masse a été développé pour simuler le comportement des matériaux de construction de référence et développés. Ce modèle a été validé avec succès à l'aide de données expérimentales du bio-composite et de celles de normes reconnues avec une bonne précision. Le modèle hygrothermique a été utilisé pour évaluer les performances de parois multicouches avec différents isolants, y compris le bio-composite, dans les conditions climatiques de Caracas et de New Delhi. Les parois intégrant le bio-composite se sont avérées très performantes. Leur inertie importante permet de limiter le recours à la climatisation, notamment, grâce au décalage temporel (plusieurs heures) des maximas de température. Une étude paramétrique a également été conduite afin d’analyser l’effet de l’épaisseur de la couche isolante et la fraction de MCP sur les performances du bio-composite MCP. Enfin, une approche de cosimulation a été proposée pour interfacer le modèle développé avec un modèle de simulation énergétique à l’échelle du bâtiment pour évaluer les performances de ces enveloppes innovantes et durables et leur impact sur les consommations énergétiques des bâtiments. Cette approche a été validée avec succès et a permis d’améliorer la prédiction du comportement hydrique des parois à travers une réduction de l’écart entre données expérimentales et la simulation de 2%. Elle a ainsi montré la nécessité d’introduire une modélisation fine du comportement hygrothermique des enveloppes de bâtiments dans les logiciels de simulation dynamique.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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