Confort thermique des habitations à panneaux de façade en béton préfabriqué comportant des matériaux à changement de phase dans le contexte d'un climat de type méditérranéen

This thesis deals with the thermal comfort of precast concrete panels incorporating phase change materials (PCM). Beyond providing an answer to one of the important issues in the fight against climate change, namely the energy consumption of buildings, the proposed solution is bio-sourced and therefore fits into an approach beyond these objectives.Concretely, it is a question of developing a thermal energy storage concrete (TESC) by adding to an ordinary concrete composite lightweight aggregates (cLWA), made up of LWA impregnated with a low cost biosourced PCM. Three types of mineral LWA were used (bentonite, sepiolite and silica gel), as well as two impregnation methods, namely direct impregnation and vacuum impregnation. The selected PCM is a vegetable oil, whose phase change is located around 23-26 °C. The microstructure and morphology of the cLWAs were analyzed by SEM, while the chemical compatibility was determined with FTIR. TESCs were prepared either by simple addition or by replacing a base component (sand or gravel) with cLWA. The thermo-physical properties of PCM and cLWA were obtained using DSC, while the thermal characteristics of TESC were evaluated with the so-called hot guarded plate experimental setup. The best impregnation rates were obtained with silica gel, but mechanical tests showed that sepiolite should be preferred. Despite a loss of mechanical strength, it is shown that TESCs with a compressive strength greater than 7-10 MPa are feasible. It is also shown that an improvement of 24.4% and greater than 13.5% is achievable for energy storage capacity and thermal conductivity, respectively. Next, the evaluation of the thermal performance of a test cell called TESC- S25-b-Cell designed with lightweight concrete wall panels in which the sand, which represents 25% of the total volume, is replaced by the same volume of cLWA-S. This cell was subjected to the vagaries of climatic variations over a few days at the same time as another cell, of the same dimensions, with ordinary concrete walls called C-R-Cell, for comparison purposes. The measurements concerned the air temperature inside and outside the cells, the temperature of the walls as well as the heat fluxes exchanged at the level of the walls and the quantity of heat absorbed by these walls. Our experiments, carried out mainly in summer, showed an increase in the thermal capacity of the envelope by the addition of PCM, leading to a decrease in the interior temperature of the cells. This effect, which is positive for the thermal comfort of the cells, is accompanied by a reduction in the thickness and therefore the weight of the wall panels compared to ordinary concrete wall panels.Cette thèse porte sur le confort thermique de panneaux en béton préfabriqué intégrant des matériaux à changement de phase (MCP). Au-delà d’apporter une réponse à l’un des enjeux importants dans la lutte contre le dérèglement climatique, à savoir la consommation énergétique des bâtiments, la solution proposée est bio-sourcée et donc s’inscrit dans une démarche dépassant ces objectifs.Concrètement, il s’agit de développer un béton de stockage d'énergie thermique (TESC) en ajoutant à un béton ordinaire des agrégats légers composites (cLWA), constitués de LWA imprégnés d'un MCP biosourcé à faible coût. Trois types de LWA minéraux ont été utilisés (bentonite, sépiolite et gel de silice), ainsi que deux méthodes d'imprégnation, à savoir l'imprégnation directe et l'imprégnation sous vide. Le MCP retenu est une huile végétale, dont le changement de phase est situé autour de 23-26 °C. La microstructure et la morphologie des cLWA ont été analysées par MEB, tandis que la compatibilité chimique a été déterminée avec une FTIR. Les TESC ont été préparés soit par simple ajout, soit en remplaçant un composant de base (sable ou gravier) par le cLWA. Les propriétés thermo-physiques du MCP et du cLWA ont été obtenues au moyen d’une DSC, tandis que les caractéristiques thermiques du TESC ont été évaluées avec un montage expérimental dit des plaques chaudes gardées. Les meilleurs taux d'imprégnation ont été obtenus avec du gel de silice, mais les tests mécaniques ont montré que la sépiolite devait être préférée. Malgré une perte de résistance mécanique, il est démontré que des TESC avec une résistance à la compression supérieure à 7-10 MPa sont réalisables. On montre également qu'une amélioration de 24,4% et supérieure à 13,5% est réalisable pour la capacité de stockage d'énergie et la conductivité thermique, respectivement. Ensuite, ont été évaluées les performances thermiques d'une cellule d'essai appelée TESC-S25-b-Cell conçue avec des panneaux muraux en béton léger dans lequel le sable, qui représente 25% du volume total, est remplacé par le même volume de cLWA-S. Cette cellule est soumise aux aléas des variations climatiques sur quelques jours en même temps qu'une autre cellule, de mêmes dimensions, avec des murs en béton ordinaire appelés C-R-Cell, à des fins de comparaison. Les mesures ont porté sur la température de l'air à l'intérieur et à l'extérieur des cellules, la température des parois ainsi que les flux thermiques échangés au niveau des parois et la quantité de chaleur absorbée par ces parois. Nos expériences, réalisées principalement en période estivale, ont montré une augmentation de la capacité thermique de l'enveloppe par l'ajout de MCP, conduisant à une diminution de la température intérieure des cellules. Cet effet, positif pour le confort thermique des cellules, s'accompagne d'une réduction de l'épaisseur et donc du poids des panneaux muraux par rapport aux panneaux muraux en béton ordinaire