abstract: Dwindling energy resources and associated environmental costs have resulted in a serious need to design and construct energy efficient buildings. One of the strategies to develop energy efficient structural materials is through the incorporation of phase change materials (PCM) in the host matrix. This research work presents details of a finite element-based framework that is used to study the thermal performance of structural precast concrete wall elements with and without a layer of phase change material. The simulation platform developed can be implemented for a wide variety of input parameters. In this study, two different locations in the continental United States, representing different ambient temperature conditions (corresponding to hot, cold and typical days of the year) are studied. Two different types of concrete - normal weight and lightweight, different PCM types, gypsum wallboard's with varying PCM percentages and different PCM layer thicknesses are also considered with an aim of understanding the energy flow across the wall member. Effect of changing PCM location and prolonged thermal loading are also studied. The temperature of the inside face of the wall and energy flow through the inside face of the wall, which determines the indoor HVAC energy consumption are used as the defining parameters. An ad-hoc optimization scheme is also implemented where the PCM thickness is fixed but its location and properties are varied. Numerical results show that energy savings are possible with small changes in baseline values, facilitating appropriate material design for desired characteristics. / Dissertation/Thesis / M.S. Civil Engineering 2012

A présent, les bâtiments résidentiels et commerciaux sont en phase de devenir le secteur le plus consommateur d’énergie dans de nombreux pays, comme par exemple en France. Diverses recherches ont été menées de manière à réduire la consommation énergétiques des bâtiments et augmenter leur confort thermique. Parmi tous les différentes approches, la technologie du stockage de chaleur latent se distingue par une très bonne capacité à stocker la chaleur afin de réduire les écarts entre la disponibilité et la demande d’énergie. Dans le cadre de l’un de nos projets, nous avons l’intention d’intégrer au design des murs des bâtiments un type de brique transparente remplie de matériaux à changement de phase (MCP). Les MCP à l’intérieur de la brique sont soumis à des changements de phase liquide-solide. Cette thèse s’attaque à la problématique du processus de fusion au sein de la brique. Au cours de cette thèse, une méthode expérimentale non-intrusive a été développée afin d’améliorer les techniques expérimentales existantes. La vélocimétrie des images des particules (VIP) et la fluorescence induite par laser (FIL) ont été couplées pour étudier la convection naturelle et la distribution de la température. Puisqu’aucun thermocouple n’a été inséré au sein de la brique, le processus de la fusion a été considéré sans perturbation. Les résultats montrent que cette conception expérimentale a un avenir prometteur, même si elle reste à améliorer. Par la suite, nous présentons deux simulations numériques. Ces simulations se fondent sur la méthode de Boltzmann sur réseau à temps de relaxation multiple (LBM MRT), employée pour résoudre le champ de vitesse, et sur la méthode de différences finies, pour obtenir la distribution de la température. La méthode d’enthalpie a quant à elle été utilisée pour simuler le changement de phase. Les simulations en deux dimensions et trois dimensions ont toutes deux été réalisées avec succès. Point important, ces simulations numériques ont été développées en langage C pour tourner spécifiquement sur un processeur graphique (GPU), afin d’augmenter l’efficacité de la simulation en profitant de la capacité de calcul d’un GPU. Les résultats des simulations concordent bien avec les résultats de nos expériences et avec les résultats analytiques publiés. / The domestic and commercial buildings are currently becoming the major sector that consumes the biggest share of the energy in many countries, for example in France. Various researches have been carried out in order to reduce the energy consumption and increase the thermal comfort of builds. Among all the possible approaches, the latent heat storage technology distinguishes itself because of its excellent heat storage ability which can be used to efficiently reduce the discrepancy between the energy consumption and supply. In one of our project, we intend to integrate a type of transparent brick filled with phase change material (PCM) into the buildings' wall design. The PCM inside the brick undergoes the solid-liquid phase change. This dissertation addresses the important issues of the melting process inside the brick. In this dissertation, a non-intrusive experimental method was proposed to improve the existing experiment technique. The particle image velocimetry (PIV) and the laser-induced fluorescence (LIF) were coupled to investigate the natural convection and the temperature distribution. Because there was no thermocouple installed inside the brick, the melting process was thus considered to be less impacted. The results showed that this experimental design has a promising future, yet still needs to be improved. Two sets of efficient numerical simulations were also presented in this dissertation. The simulations were based on the thermal lattice Boltzmann method (TLBM), where the natural convection got solved by the LBM and the temperature equation was solved by the finite difference scheme. The enthalpy method was employed to simulate the phase change. Both the 2-dimensional and 3-dimensional configurations were successfully simulated. Moreover, the simulation programs were specifically developed - using the C language - to be run on the graphic processing unit (GPU), in order to increase the simulation efficiency. The simulation results demonstrated a good agreement with our experimental results and the published analytical results.

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.