Utilisation de Méthodes d'Identification pour la Caractérisation de Matériaux à Changement de Phases (MCP) – MICMCP

Les bâtiments représentent environ 42% de l’énergie totale finale consommée en France et 23% des émissions de CO2. Le Grenelle de l’environnement a pris la mesure de ce potentiel, et a fixé des objectifs très ambitieux pour la rénovation énergétique: réduction des consommations d’énergie de 20% dans les bâtiments tertiaires et de 12% dans les bâtiments résidentiels en 5 ans ; à l’horizon 2020, il s’agit d’avoir rénové 30% du parc résidentiel. A la dimension énergétique s’ajoute la dimension du confort des occupants, qui doit être amélioré. Le confort thermique est principalement lié à l’inertie thermique du bâtiment, surtout en été. Or, la rénovation des bâtiments par l’intérieur engendre une réduction de l’inertie du bâtiment qui pourrait être comblée par des Matériaux à Changement de Phase (MCP).L'autre atout de ces matériaux concerne le stockage d'énergie issu des apports solaires directs en mi-saison ou période hivernale pendant la journée et leur restitution en période nocturne.
L’emploi des MCP est une solution intéressante parce qu'ils présentent une forte densité de stockage d’énergie, grâce à la chaleur latente de transformation, dans un volume réduit. La modélisation du comportement énergétique et thermique des bâtiments intégrant des MCP passe par la connaissance fine du processus de transition de phase. Les codes de calcul commerciaux utilisés par les professionnels du bâtiment utilisent souvent des caractéristiques apparentes qui sont mal évaluées par des pratiques actuelles. Il est toutefois indispensable de déterminer avec précision ces caractéristiques thermophysiques afin que les résultats numériques soient représentatifs des phénomènes physiques.
Il est expliqué que les méthodes précédemment employées, notamment de la calorimétrie, ne sont pas suffisamment exactes; c’est pourquoi dans le cadre du projet MICMCP, nous nous proposons de travailler à la caractérisation des Matériaux à Changement de Phase par des méthodes d’identification (méthodes inverses ou algorithmes génétiques(AG)) qui donneront des résultats plus conformes à la physique des changements de phases. La caractérisation se fera tant au réchauffement pour la fusion (équilibre thermodynamique) qu'au refroidissement à la cristallisation des liquides surfondus. Il s'agira de déterminer des caractéristiques thermiques, dites apparentes, généralement utilisées avec les logiciels du commerce. Nous proposons d'identifier par des expériences sur des échantillons de tailles et de complexité croissantes: des petits échantillons homogènes étudiés principalement en calorimétrie, des échantillons macroscopiques (fraction de litre) étudiés avec des cellules de laboratoire finement instrumentées ou sur des maquettes permettant d'étudier les MCP dans leur configuration commerciale (par exemple 1mx1m). Enfin, il sera évalué l’influence d’une plus correcte détermination des propriétés thermophysiques en application des logiciels classiques de thermique du bâtiment.
Les méthodes d'identifications sont associées à la détermination des erreurs dues à la méconnaissance parfaite de certains paramètres des expériences ou des erreurs de mesures. Le projet est donc de mettre au point des méthodes numériques d'analyse de résultats expérimentaux. Il s'agira d'établir d'abord par des modèles directs la physique des phénomènes thermiques soit dans les cellules de calorimètre, soit pour les expériences d'échantillons macroscopiques, soit sur des maquettes. Ensuite le travail principal sera de mettre en œuvre des méthodes d'identification (inverse ou algorithme génétique(AG)) dans ces trois cas et d'en déduire les erreurs de détermination. L'analyse des sensibilités sera aussi étroitement liée au dimensionnement et à la mise au point des expériences. Enfin de toutes ces études, il sera tiré un protocole d'expériences qui entrera dans la procédure d’évaluation technique des composants des industriels du bâtiment intégrant des MCP