Ce travail de thèse concerne l'étude de l'influence des ultrasons sur les transferts de chaleur. Il a été réalisé à partir de la conception d'un échangeur de chaleur dont la structure peut être mise en vibration à sa fréquence de résonance dans la gamme des ondes ultrasonores : 35 kHz. L'influence des ultrasons sur l'augmentation des transferts thermiques a ainsi pu être mise en évidence directement au sein du système. L'étude bibliographique a mis en avant l'originalité de ce travail, qui correspond à une première approche relative à un échangeur fluide-fluide. La conception de l'échangeur, du banc d'essais et du système d'acquisition dédiés a fait l'objet de la première partie de ce travail. Ensuite, la mise au point de méthodes pour l'analyse des performances énergétiques et leur implémentation ont constitué une deuxième partie. Enfin, des configurations opératoires variées (régimes d'écoulement, configurations hydrauliques, matériaux constitutifs, ...) ont pu être étudiées. De plus, le potentiel des ultrasons quant à la réduction de l'encrassement au sein de l'échangeur a aussi été mis en évidence.

CETTE ETUDE S'INTERESSE A L'ETAPE DE GLAÇAGE LORS DE LA CONGELATION D'UN PRODUIT LIQUIDE COMPLEXE, DE TYPE SORBETS OU CREME GLACEE. CETTE ETAPE A LIEU DANS DES ECHANGEURS DE CHALEUR A SURFACE RACLEE (ECSR) OU FREEZERS. AU COURS DE CETTE ETAPE, LA FORMULE INITIALE OU LE MIX EST LE SIEGE DE PLUSIEURS PHENOMENES : LES TRANSFERTS THERMIQUES, LA CRISTALLISATION DE L'EAU EN GLACE ET LE CISAILLEMENT. CETTE ETAPE PREDISPOSE LA QUALITE FINALE DU PRODUIT, NOTAMMENT SA TEXTURE. L'ETUDE ENTREPRISE LORS DE CE TRAVAIL DE THESE A POUR OBJECTIF DE MIEUX COMPRENDRE L'EVOLUTION DU PRODUIT DURANT LE GLAÇAGE ET DE CARACTERISER L'INFLUENCE DES VARIABLES DU PROCEDE ET DE CERTAINS ASPECTS DE FORMULATION SUR LA TEXTURE DU PRODUIT. POUR CELA, ON S'EST INTERESSE PLUS PARTICULIEREMENT A LA TAILLE DES CRISTAUX ET A LA VISCOSITE. NOTRE APPROCHE A COMBINE L'EXPERIMENTATION (A L'ECHELLE DU LABORATOIRE) ET LA MODELISATION (CINETIQUE DE CRISTALLISATION ET SIMULATION NUMERIQUE DES ECOULEMENTS ET DES TRANSFERTS THERMIQUES). L'ETUDE EXPERIMENTALE A ETE REALISEE A L'ECHELLE DU LABORATOIRE (DANS UN SIMULATEUR D'ECSR) DANS DES CONDITIONS THERMIQUES ET MECANIQUES CONTROLEES. ELLE A PERMIS DE SUIVRE L'EVOLUTION STRUCTURALE (GRANULOMETRIE

Ce travail de thèse concerne l'étude de l'influence des ultrasons sur les transferts de chaleur. Il a été réalisé à partir de la conception d'un échangeur de chaleur dont la structure peut être mise en vibration à sa fréquence de résonance dans la gamme des ondes ultrasonores : 35 kHz. L'influence des ultrasons sur l'augmentation des transferts thermiques a ainsi pu être mise en évidence directement au sein du système. L'étude bibliographique a mis en avant l'originalité de ce travail, qui correspond à une première approche relative à un échangeur fluide-fluide. La conception de l'échangeur, du banc d'essais et du système d'acquisition dédiés a fait l'objet de la première partie de ce travail. Ensuite, la mise au point de méthodes pour l'analyse des performances énergétiques et leur implémentation ont constitué une deuxième partie. Enfin, des configurations opératoires variées (régimes d'écoulement, configurations hydrauliques, matériaux constitutifs, …) ont pu être étudiées. De plus, le potentiel des ultrasons quant à la réduction de l'encrassement au sein de l'échangeur a aussi été mis en évidence. / This work deals with the influence of ultrasound on heat transfer. It relies on the conception of a new kind of heat exchanger, whose structure can be set into vibration at its resonance frequency in the ultrasonic range : 35 kHz. The influence of ultrasound on heat transfer enhancement was thus directly observed within the system. The literature survey showed the originality of this work, corresponding to a first approach of a fluid-fluid heat exchanger. The conception of the heat exchanger, of the test rig and acquisition system both especially dedicated was the main object of the first part of this work. Then, the development of methods for the analysis of energetic performances and their implementation constituted the second part. Finally, various operating configurations (flow regimes, hydraulic configurations, constitutive materials, …) have been studied. Besides, the potential of ultrasound concerning fouling reduction inside the structure was also highlighted.

L’objectif de cette étude est d’optimiser un cycle frigorifique au CO2 pour une application dans le transport frigorifique. Les performances de l’unité doivent être supérieures à celles d’une machine avec une injection de vapeur et un compresseur bi-étagé déjà commercialisé. Suite à l’étude de plusieurs solutions, un éjecteur couplé à un échangeur interne semble la solution la plus intéressante.Un banc expérimental est créé à partir de l’unité possédant une injection de vapeur. L’éjecteur est muni d’une aiguille pour pouvoir assurer une recherche de la haute pression optimale. L’échangeur interne est équipé d’un by-pass pour modifier la puissance échangée. Un ensemble de points d’essais est testé avec deux températures d’évaporation : 0 °C et -20 °C, et trois températures de source chaude : 30 °C, 38 °C et 50 °C.L’éjecteur avec aiguille est capable de s’adapter à différentes températures extérieures en modifiant la haute pression. L’échangeur interne permet d’augmenter les performances du cycle mais présente une limite, la température au compresseur devient élevée et présente un risque de détérioration de ses performances ou de l’huile.Avec le cycle présentant un éjecteur, une amélioration du coefficient de performance est observée pour les points avec une température d’évaporation de 0 °C mais celle-ci chute drastiquement pour les températures d’évaporation de -20 °C. Une analyse exergétique du cycle confirme les faibles performances de celui-ci pour des températures d’évaporation négatives.À partir des résultats expérimentaux, des modèles numériques sont mis en place. Les échangeurs, vannes de détente sont modélisés de manière conventionnelle. Pour le compresseur, le modèle de Winandy est modifié afin de fonctionner pour un compresseur bi-étagé avec injection de vapeur. L’éjecteur est modélisé à travers un modèle unidimensionnel basé sur des transformations simplifiées décrites à travers des rendements isentropiques. Tous les modèles sont validés mais ceux des échangeurs ont un temps de calcul CPU trop important pour pouvoir être utilisés sur une modélisation dynamique. / The aim of this study is to optimize a CO2 cooling cycle for transport application. The efficiency of the unit needs to be superior that of a cycle with vapor injection and a two stages compressor. The solution proposed is to install an ejector with an internal heat exchanger.A test bench is created from a pre-existing unit. Tests are made for two evaporation temperatures: 0 °C and -20 °C and three external temperatures: 30 °C, 38 °C and 50 °C. The ejector is equipped with a needle to seek the optimal high pressure. The internal exchanger is equipped with a by-pass to modify the thermal power exchanged.The ejector with needle can change the high pressure to seek the optimal conditions. The internal heat exchanger increases the efficiency of the cycle but the rising of temperature at the compressor can degrade its efficiencies or the oil. The new cycle increases the COP for evaporation temperature of 0 °C but the COP is lower than without ejector for evaporation temperature of -20 °C. An exergetic analysis shows that indeed the cycle is less efficient for low evaporation temperature.From the experimental results, numerical models are created to realize a system simulation and to test different scenarii to drive the unit. Exchangers and valves modeled with conventional tools. Wynandy’s model is adapted to be used on a two-stage compressor with vapor injection. The ejector is modeled with a one-dimensional model, based on simplified transformations described with isentropic efficiencies. All models seem to work but the CPU time is too high to use the exchanger models for dynamic simulation.

Ce travail porte sur l'étude et le développement d'un système innovant de ventilation et de chauffage au bois dans les habitations à basse consommation d'énergie, qui sont appelées à devenir la référence constructive en France dès 2015. Dans ces habitations fortement isolées et particulièrement étanches à l'air, les besoins de chauffage sont très faibles et peuvent être couverts par une source de chaleur d'origine renouvelable, telle que le bois énergie. En outre, l'utilisation d'une ventilation performante s'impose comme étant un critère essentiel pour assurer la bonne qualité de l'air intérieur et peut même devenir l'unique vecteur de chauffage en apportant l'appoint de chaleur sur l'air insufflé dans les différentes pièces de l'habitation. Le système présenté dans cette étude propose ainsi de combiner les avantages d'un appareil de chauffage au bois de petite puissance, ici un poêle à granulés de bois, et ceux d'une ventilation à récupération de chaleur sur l'air extrait, grâce à un conduit échangeur intégré à la cheminée du poêle et relié au réseau de soufflage de la ventilation. Développé en partenariat avec l'industriel POUJOULAT, spécialisé dans la fabrication de conduits de cheminée métalliques, ce conduit échangeur permet de récupérer sur l'air neuf une partie de la chaleur initialement perdue par les fumées et de la distribuer dans toutes des zones de vie de l'habitation, même les plus éloignées de l'appareil au bois. Après avoir défini la configuration de couplage à adopter pour assurer le bon fonctionnement de l'ensemble et garantir à la fois la sécurité et le confort des occupants, les performances de plusieurs prototypes de conduit échangeur sont caractérisées expérimentalement. Les résultats obtenus lors des essais en laboratoire permettent alors d'orienter l'évolution des prochains prototypes et de souligner la nécessité de travailler avec un poêle à granulés de bois dont le cycle de combustion est étanche. Un modèle mathématique est également développé pour prédire les performances du dernier prototype de conduit échangeur à triple paroi non isolé sur sa surface extérieure et sa validation est obtenue suite au bon accord entre les résultats calculés et ceux mesurés lors des essais. L'ensemble du système combiné est ensuite installé dans deux habitations à basse consommation d'énergie situées près de Poitiers. L'exploitation des températures et des consommations recueillies pendant la première saison de chauffe montre la bonne tenue du système combiné, ses limites, ainsi que ses conditions d'appropriation par les occupants, dont le comportement apparaît jouer un rôle prédominant dans la réduction des consommations énergétiques.

Les machines frigorifiques à absorption ammoniac-eau sont prometteuses dans les domaines de la climatisation solaire et de la valorisation des rejets thermiques pour l’industrie. Pour permettre à ces machines de devenir compétitives par rapport aux systèmes à compression mécanique de vapeur, l’amélioration de leur efficacité et la baisse de leur coût sont nécessaires. C’est dans ce contexte que s’inscrit ce travail de thèse.L’étude se concentre sur l’absorbeur qui est un des composants les plus critiques de la machine à absorption en matière de taille, de coût et d’efficacité. L’objectif est d’étudier numériquement et expérimentalement les transferts couplés de masse et de chaleur dans l’absorbeur dans le but de prédire et d’améliorer ses performances.Deux absorbeurs à film tombant sont étudiés, dans lesquels la solution pauvre et la vapeur entrent en haut et le fluide caloporteur entre en bas. Le premier est un échangeur à plaques soudées et le deuxième est un échangeur à plaques et joints avec des dimensions et des profils de plaques différents.L’analyse expérimentale de ces deux absorbeurs est réalisée dans des conditions réelles de fonctionnement sur un prototype instrumenté de machine à absorption ammoniac-eau de 5 kW. Ce dispositif permet une analyse globale des débits de vapeur absorbés, des flux thermiques évacués et des efficacités d’absorption. Une analyse plus locale est aussi réalisée à l’aide de mesures de températures à l’intérieur des canaux de refroidissement dans l’absorbeur plaques et joints. Les résultats montrent une importante corrélation entre la puissance frigorifique produite par la machine à absorption et les performances de l’absorbeur. Mais ce prototype étant une machine réelle, les variables d’entrée de l’absorbeur ne peuvent pas être contrôlées. Un modèle numérique est donc nécessaire pour dissocier l’impact des différentes variables sur les performances de l’absorbeur.Un modèle 1D d’un absorbeur à film tombant est donc développé. Il est basé sur des bilans de masses, d’espèces et d’énergies, des équations de transferts de masse et de chaleur et des conditions d’équilibre à l’interface liquide-vapeur. Les résistances aux transferts de masse sont considérées dans les phases liquide et vapeur et des corrélations empiriques sont utilisées pour calculer les coefficients de transfert de masse et de chaleur.Ce modèle est validé expérimentalement avec les données globales aux bornes des deux absorbeurs et avec les mesures de températures le long des canaux du fluide de refroidissement puisqu’une différence maximale de 15% est observée. Il permet donc l’analyse détaillée des phénomènes de transferts de masse et de chaleur le long de l’absorbeur et facilite l’étude du procédé d’absorption.Enfin, une étude de sensibilité paramétrique est réalisée avec ce modèle pour discuter des résultats expérimentaux et pour identifier les pistes d’amélioration des performances de l’absorbeur et donc de la machine à absorption. / Ammonia-water absorption chillers are promising both for solar air conditioning and for industry processes. To become competitive compared to electric compression chillers, their efficiency needs to be improved and their cost has to be decreased. This thesis study takes place in this context.The focus is put on the absorber, which is one of the most critical component of absorption chillers in terms of compactness, cost and efficiency. The purpose is to study numerically and experimentally coupled heat and mass transfers which occur in the absorber in order to predict and improve its overall performances.Two falling film absorbers are analysed. In both of them, the poor solution and the vapour enter at the top and the coolant fluid enters at the bottom of the absorber. The first absorber is a brazed plate heat exchanger and the second is a gasketed plate-and-frame heat exchanger with different geometric dimensions and plates corrugations.The experimental study of these two absorbers is performed in real working conditions on an instrumented ammonia-water absorption chiller prototype of 5 KW. Thanks to this device, a global analysis of vapour absorbed mass flow rates, absorbed heat fluxes and mass effectiveness is achieved. A local analysis is also performed thanks to temperature measures inside channels of coolant fluid in the gasketed plate-and-frame heat exchanger. Results show a strong correlation between the absorption chiller cooling capacity and the absorber performances. However, since this prototype is a real chiller, absorber inlet variables cannot be controlled. Thus, a numerical model is necessary to dissociate the impact of these variables on the absorber performances.A 1D numerical model of the absorber is developed. It is based on mass, species and enthalpy balances, mass and heat transfer equations and equilibrium conditions at the vapour/solution interface. Mass transfer resistances in both liquid and vapour phases are considered while heat and mass transfer coefficients are calculated using empirical correlations.This model is validated experimentally with global data at the inlet and the outlet of the absorber and temperature measures along the absorber coolant fluid channels. A maximal relative error of 15 % is observed. Therefore, a detailed analysis of combined heat and mass transfers along the absorber and the absorption process study is performed thanks to this model.A parametric study is also performed with this model to discuss experimental results and find ways to improve the absorber performances and thus the absorption chiller performances.

Le développement et l’utilisation de nouveaux matériaux, tel que le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de gallium (GaN), a permis un accroissement sensible des densités d’énergie traitées par les nouveaux composants de l’électronique de puissance, assortie d’une augmentation de leur compacité. Parallèlement à ces progrès technologiques, la généralisation de l’électricité en tant que vecteur d’énergie primaire au sein de systèmes de plus en plus répartis, incluant des moyens de traitement de l’information au plus près de la fonction réalisée, ouvre la voie à une nouvelle génération de systèmes mécatroniques hautement intégrés. Or, l’émergence de ces nouvelles fonctions soulève une question critique liée au mode de refroidissement de ces éléments. Cette question est intimement couplée aux aspects énergétiques et à leur impact environnemental, imposant une amélioration significative des rendements énergétiques mesurés à l’échelle de la fonction complète. C’est dans ce contexte que l’étude présentée traite tout d’abord de systèmes de récupération de la chaleur résiduelle dissipée au sein de systèmes électroniques de puissance en vue d’alimenter de manière autonome des capteurs, où autres systèmes fonctionnels, via l’énergie « ambiante » ainsi récupérée. Parmi les consommateurs plus particulièrement ciblés, des fonctions innovantes d’intensification par voie électromécanique des échanges de chaleurs au sein d’échangeurs thermique sont étudiées et mises en œuvre. A terme, l’idée serait ainsi d’alimenter les systèmes d’actionnement assurant l’optimisation des échanges de chaleur au sein du système de refroidissement d’une carte électronique au moyen même de la chaleur qu’elle dissipe, récupérée sous forme d’énergie électrique. A cette fin, les différents procédés de conversion de la chaleur en électricité sont examinés, modélisés et mis en œuvre dans la suite de ce travail. Deux types de conversion d’énergie complémentaires sont tour à tour considérés : La conversion par effet thermoélectrique, utilisant l’effet Seebeck qui a lieu en présence d’un gradient de température et l’effet pyroélectrique qui apparait en présence de variation temporelle de la température. Ces deux phénomènes sont analysés et décrits à l’aide de modélisations physiques et comportementales, incluant une approche expérimentale ayant nécessité la mise en place de bancs d’essai spécifiques. L’électricité récupérée par conversion pyroélectrique est par la suite mise en forme grâce à des systèmes de redressement à faible tension de seuil spécialement développés. La faisabilité de systèmes d’alimentation autonomes de capteurs déportés, où de systèmes d’émission (ponctuelle) de mesure, est alors concrètement démontrée en se basant sur les résultats obtenus. Ouvrant la voie à un concept de refroidissement actif des puces électroniques, tirant directement parti de la chaleur dissipée pour son alimentation grâce aux deux procédés préalablement étudiés, la problématique de l’intensification des transferts de chaleur au sein de boucles de refroidissement mécaniquement activées est abordée dans la dernière partie du mémoire. Cette activation est réalisée à l’aide d’un système d’actionnement multicellulaire réparti à base d’actionneurs piézoélectriques. Développée en étroite collaboration avec des équipes de thermodynamiciens, l’idée est de réaliser un pompage de fluide ainsi qu’une modification des échanges de chaleur au sein d’un système de transfert de chaleur en activant les parois de l’échangeur de chaleur par déformation. Le système d’actionnement préconisé est tout d’abord étudié et simulé par un calcul par éléments finis. Un prototype est construit et caractérisé sous conditions réelles dans un deuxième temps. [...] / The development and use of new materials, such as silicon carbide (SiC) and gallium nitride (GaN) has a significant increase in energy densities handled by the new components of power electronics, accompanied by an increase in compactness. Parallel to these technological advances, the widespread use of electricity as a primary energy carrier within systems increasingly distributed, including means for processing information closer to the function carried out, paving the way a new generation of highly integrated mechatronic systems. However, the emergence of these new features raises a critical question related to cooling mode thereof. This question is closely coupled to the energy aspects and their environmental impact, imposing a significant improvement in measured across the full energy function returns. It is in this context that the present study deals firstly recovery systems waste heat dissipated in power electronic systems for autonomous power sensors, where other functional systems via energy "room" and recovered. Particularly among targeted consumers, innovative features intensification electromechanically exchanges heat in heat exchangers are studied and implemented. Eventually, the idea would be to supply the operating systems for the optimization of heat exchange in the cooling system of an electronic card in the same way that heat dissipates, recovered in the form of electrical energy. To this end, various methods of conversion of heat into electricity are considered, modeled and implemented in the course of this work. Two complementary types of energy conversion are considered in turn : The thermoelectric conversion effect by using the Seebeck effect which takes place in the presence of a temperature gradient and the pyroelectric effect that appears in the presence of temporal variation of the temperature. These two phenomena are analyzed and described using physical and behavioral models, including an experimental approach requiring the establishment of specific test benches. The electricity recovered by pyroelectric conversion is then formatted with recovery systems, low voltage specially developed threshold. The feasibility of remote sensors autonomous supply, where emission (point) measuring systems, is then demonstrated concretely based on the results systems. Paving the way to a concept of active cooling computer chips, drawing directly from the heat dissipated for food through two methods previously studied the problem of intensification of heat transfer in cooling loops mechanically activated is discussed in the latter part of the memory. This activation is carried out using a distributed drive system multicellular based piezoelectric actuators. Developed in close collaboration with teams of thermodynamics, the idea is to provide a fluid pump and a change of heat transfer in a heat transfer system by activating the walls of the heat exchanger deformation. The operating system is called first studied and simulated by a finite element calculation. A prototype is built and characterized under actual conditions in a second time. The multicellular actuating system composed of a plurality of actuators and a supply system configurable multipath is then integrated into an exchange of heat testbed specifically developed. This experience is a fundamental first step in the development of electroactive systems, potentially autonomous, allowing the intensification of heat exchange in cooling loops for high-performance power electronics.

Cette de thèse comporte deux volets : Le premier, plutôt applicatif, concerne le design d'échangeurs à ailettes et à mousses ; le second, plus académique, traite des relations entre la texture des mousses métalliques et leurs propriétés thermophysiques effectives. Sur la première partie consacrée à l'amélioration des performances des échangeurs de chaleur Mota. Nous avons mis en place une méthode de dimensionnement multi-échelle adaptés aux batteries tubes-ailettes et aux échangeurs à mousse ; Nous avons développé et caractériser une architecture optimisée d'échangeur à mousse et à ailettes. Des gains de 50% ont été obtenus en termes d'efficacité énergétique et les solutions proposées sont actuellement en production.La deuxième partie concerne l'analyse des mécanismes de transferts dans les mousses et de la détermination de leurs propriétés effectives. Nous avons développé une approche basée sur la modélisation des transferts et écoulements à l'échelle du pore -confortée par le développement de bancs expérimentaux- pour déterminer ces propriétés. Nous avons réalisé une base de données de 900 mousses obtenues par élongation et cisaillement d'une cellule périodique de référence. Les propriétés effectives –tensorielles- de ces mousses ont été mesurées et leur dépendance à la morphologie et aux propriétés thermophysiques des phases a été étudiée.En conclusion, le dernier chapitre illustre la démarche naturelle de poursuite des travaux : Optimisation des géométries des échangeurs et des mousses selon les conditions applicatives. / This work is composed of two parts: the first one deals with the design of fins-and-tubes and metal foam heat exchangers; the second one deals with the relationship between foams morphology and their effective thermophysical properties. The first part is dedicated to Mota heat exchanger performance enhancement. We develop a multi-scale method to optimize both local heat transfer surfaces and global architecture of classical and foam units. We develop, using this method, new heat exchanger and we characterize it numerically and experimentally. An increase of 50% of energetic efficiency is obtained and new geometries are nowadays produced and commercialized. The second part deals with the analysis of transport phenomena in metal foams and the determination of their effectives properties. We develop an approach based on pore scale numerical simulation of conjugate heat transfer – validated by experimental results obtained on set-up developed for this study. We have generated 900 virtual samples obtained by deformation a periodic unit cell (Kelvin cell). Full effective properties tensors are determined. The influence of cell shape and classical geometrical parameters on physical properties is then studied. To conclude, in the last chapter, we present natural perspectives involved by this work: Geometrical optimization of heat exchanger architecture and foams morphology depending on the application; The use of a multi-scale approach to design modern –foam- heat exchangers.

Ce travail porte sur l’étude et le développement d’un système innovant de ventilation et de chauffage au bois dans les habitations à basse consommation d’énergie, qui sont appelées à devenir la référence constructive en France dès 2015. Dans ces habitations fortement isolées et particulièrement étanches à l’air, les besoins de chauffage sont très faibles et peuvent être couverts par une source de chaleur d’origine renouvelable, telle que le bois énergie. En outre, l’utilisation d’une ventilation performante s’impose comme étant un critère essentiel pour assurer la bonne qualité de l’air intérieur et peut même devenir l’unique vecteur de chauffage en apportant l’appoint de chaleur sur l’air insufflé dans les différentes pièces de l’habitation. Le système présenté dans cette étude propose ainsi de combiner les avantages d’un appareil de chauffage au bois de petite puissance, ici un poêle à granulés de bois, et ceux d’une ventilation à récupération de chaleur sur l’air extrait, grâce à un conduit échangeur intégré à la cheminée du poêle et relié au réseau de soufflage de la ventilation. Développé en partenariat avec l’industriel POUJOULAT, spécialisé dans la fabrication de conduits de cheminée métalliques, ce conduit échangeur permet de récupérer sur l’air neuf une partie de la chaleur initialement perdue par les fumées et de la distribuer dans toutes des zones de vie de l’habitation, même les plus éloignées de l’appareil au bois. Après avoir défini la configuration de couplage à adopter pour assurer le bon fonctionnement de l’ensemble et garantir à la fois la sécurité et le confort des occupants, les performances de plusieurs prototypes de conduit échangeur sont caractérisées expérimentalement. Les résultats obtenus lors des essais en laboratoire permettent alors d’orienter l’évolution des prochains prototypes et de souligner la nécessité de travailler avec un poêle à granulés de bois dont le cycle de combustion est étanche. Un modèle mathématique est également développé pour prédire les performances du dernier prototype de conduit échangeur à triple paroi non isolé sur sa surface extérieure et sa validation est obtenue suite au bon accord entre les résultats calculés et ceux mesurés lors des essais. L’ensemble du système combiné est ensuite installé dans deux habitations à basse consommation d’énergie situées près de Poitiers. L’exploitation des températures et des consommations recueillies pendant la première saison de chauffe montre la bonne tenue du système combiné, ses limites, ainsi que ses conditions d’appropriation par les occupants, dont le comportement apparaît jouer un rôle prédominant dans la réduction des consommations énergétiques. / This work is devoted to the study and development of an innovative wood-based air-heating system for energy-efficient dwellings, which are expected to become the building reference in France from 2015 onwards. As these kinds of homes are highly insulated and particularly airtight, heating requirements are very low and may be covered by a renewable energy source, such as wood energy. In addition, efficient ventilation is absolutely required to ensure indoor air quality and may even sometimes be use as the only way to provide heat into the various rooms of the house. In this context, the system presented in this study aims to combine advantages of a low power wood-burning appliance, as a wood-pellet stove, and those of a mechanical ventilation heat-recovery unit, thanks to a heat exchanger integrated into the chimney of the pellet stove and connected to the ventilation air supply network. Developed in partnership with POUJOULAT, a metallic chimneys manufacturer, this new heat exchanger recovers a part of the heat from flue gases and enables to warm up the fresh air distributed in each living zone of the house, even the most remote of the wood heating device. After defining the best coupling configuration to ensure the proper behaviour of the system, as well as both safety and comfort of the occupants, performances of several heat exchanger prototypes are characterized experimentally. The results from tests in laboratory are then used to guide prototypes development and they highlight the need to work with a room-sealed wood-pellet stove. Moreover, a mathematical model is developed to predict the performances of the latest prototype of triple concentric tube heat exchanger with no insulation at the outer surface. Then, the model validation is obtained following the good agreement between calculated results and those measured during the laboratory tests. The combined system is then installed in two energy-efficient dwellings near Poitiers. Operating temperatures and energy consumptions collected during the first heating season show the good reliability of the combined system, its limitations and its conditions of acceptance by the occupants, whose behaviour is pointed out as a major factor in reducing energy consumptions.

L'utilisation de systèmes de stockage par chaleur latente constitue une solution permettant l'effacement du chauffage d'un bâtiment résidentiel pendant les périodes de forte demande. Une telle stratégie peut avoir pour objectif le lissage des pics d'appel en puissance du réseau électrique. Cependant, la faible conductivité des matériaux à changement de phase (MCP) qui constituent ces systèmes et le besoin d'une puissance de décharge importante imposent l'utilisation de matériaux dits "architecturés" afin d'optimiser la conductivité équivalente des matériaux stockeurs. Nos travaux s'intéressent plus particulièrement à la méthodologie pour la conception de matériaux pour ces systèmes afin de satisfaire aux exigences de stockage d'énergie et de puissance de restitution. La méthodologie proposée dans ces travaux de thèse est dénommé « Top-down methodology ». Cette méthodologie comporte trois échelles : l'échelle bâtiment (top), l'échelle système et l'échelle matériau (down). L'échelle bâtiment a comme objectif de spécifier le cahier des charges. A l'échelle système, des indicateurs de performance sont définis. Enfin, à l'échelle matériau, l'architecture du matériau solution est proposée. Un outil numérique modélisant le système de stockage par chaleur latente de type échangeur de chaleur air/MCP à été développé pour évaluer les indicateurs de performance. Ce modèle numérique est vérifié avec un cas analytique et validé par comparaison avec des données expérimentales. La méthodologie développée est mise en œuvre dans un deuxième cas d'étude pour le même type de système de stockage. L'analyse du système via les nombres adimensionnels permet d'obtenir des indicateurs de performance du système. A l'issue de cette étape, les propriétés matériaux et fonctionnelles optimales du système sont donc connues. Enfin, un matériau architecturé est alors proposé afin de satisfaire les exigences du système de stockage. Nous montrons alors que par l'intermédiaire d'une plaque sandwich contenant des clous et du MCP les propriétés matériaux nécessaires sont obtenues. De plus, afin de satisfaire aux exigences en termes de propriétés fonctionnelles, le design du système est modifié en ajoutant des ailettes sur les surfaces d'échange. Nous montrons que avec 20 ailettes de 3mm d'épaisseur sur la surface d'échange de la planche à clous, le chauffage est effacé pendant 2h lors de la période de forte demande journalière pendant l'hiver. / The use of energy storage systems that exploit latent heat represents a promising solution to erase the heating demand of residential buildings during periods of peak demand. Equipping a building with such components can contribute to the goal of peak shaving in terms of public electricity grid supply. Significant drawbacks, however, are the low thermal conductivity of Phase Change Materials (PCM) that typically constitute such systems,and the requirement for a high rate of discharge. Consequently, the use of so-called architectured materials has been put forward as a means to optimize the effective conductivity of storage materials. Our work is focused upon the development of a methodology to design optimal materials for such systems that meet the criteria of energy storage and energy output. A so-called “top-down metholodogy” was implemented for the present work. This approach includes three scales of interest: building (top), system and material (down). The aim of the building scale analysis is to formulate a set of general design requirements. These are complemented by performance indicators, which are defined at the scale of the system. Finally, at the scale of the material, the architecture of the identified material is elaborated. A numerical simulation tool was developed to determine performance indicators for a latent heat energy storage system comprising of an air/PCM heat exchanger. This model was tested against a benchmark analytical solution and validated though comparison to experimental data. The developed methodology is applied to the specific case of an air/PCM exchanger latent-heat energy storage system. The system is analysed through the study of dimensionless numbers, which provide a set of design indicators for the system. As a result of this stage, the optimal material and functional properties are thus identified. Finally, an architectured material is proposed that would satisfy the design requirements of the storage system. We demonstrate that an arrangement composed of a sandwich of planar layers with nails and PCM can offer the required material properties. Furthermore, in order to meet the desired functional properties, the system design is modified by the addition of fins at the exchange surfaces. With the addition of 20 fins of 3mm thickness attached to the exchange surface of the sandwich panel, the storage system eliminated the heating demand for 2 hours during the period of high daily demand in winter.