Cette thèse vise à étudier l'exploitation du rayonnement solaire grâce à un nouveau concept de mur capteur passif. Dans ce contexte, le comportement thermique d’un mur solaire semi-transparent a été étudié. Le mur fournit un éclairage naturel et est composé d’une couche d’aérogel de silice assurant une isolation thermique et acoustique, et d’un MCP. Ce dernier est contenu dans des briques de verre assurant l’absorption, le stockage et la restitution de chaleur. Ce mur a été caractérisé expérimentalement au centre PERSEE à Sophia. Il a été remarqué que la performance thermique du mur est élevée en hiver, tandis qu’une surchauffe estivale a été rencontrée. Un modèle numérique simplifié a été développé pour modéliser la convection naturelle et le rayonnement pendant la fusion du MCP. Ce modèle est validé à l’aide d’un modèle CFD, et des résultats de Benchmark. Pour optimiser la performance du mur en été, un modèle numérique du transfert de chaleur à travers le mur a été développé sous MATLAB. Ce modèle a été couplé à TRNSYS afin d’évaluer la performance thermique de l'ensemble du bâtiment. Le modèle couplé a été validé expérimentalement. Le comportement thermique du mur est testé dans des différents climats, et des solutions passives sont proposées pour assurer le confort thermique. Enfin, ce modèle a permis d'étudier le comportement thermique annuel d’un bâtiment intégrant un mur MCP- aérogel dans son enveloppe et une étude économique a été réalisée. Ces études ont confirmé l'intérêt du mur vis-à-vis de l'amélioration des performances énergétiques du bâtiment. La faisabilité économique de l'application du mur dépend du climat, du coût d’énergie, et du coût d'investissement. / This thesis aims to study the exploitation of solar radiation thanks to a new concept of passive sensor wall. In this context, the thermal behavior of a novel semi-transparent solar wall has been studied. The wall is composed of glazing, silica aerogel (TIM) and glass bricks filled with fatty acids (PCM). This wall provides storage and restitution of heat, thermal-acoustic insulation and daylighting. The thermal performance of the TIM-PCM wall is tested in a full-sized test cell located in Sophia, PERSEE center. In winter, particularly in sunny cold days, the PCM absorbs solar radiation, melts, and then releases the stored heat to the building at night. During summer, overheating is encountered, the PCM remains in its liquid state and is unable to release the stored heat. A simplified model for PCM melting in presence of natural convection and radiation is developed and validated using a CFD model, and benchmark solutions. Then, a numerical model describing the heat transfer mechanisms through the wall is developed. This model is linked to TRNSYS to assess the thermal performance of the whole building. The MATLAB-TRNSYS model is then validated experimentally. The thermal behavior of the wall is tested under different climates, and passive solutions are proposed to ensure thermal comfort in summer. Finally, the validated model is used to study the annual thermal behavior of a building integrating TIM-PCM wall and an economic study is conducted. These studies confirm the interest of the wall vis-à-vis the improvement of energy performance of the building. The economic feasibility of applying the TIM-PCM wall depends mainly on climate, energy costs, and investment cost.

En France, à partir de 2012, tous les bâtiments neufs devront répondre aux critères de basse consommation, c'est-à-dire qu'ils devront consommer moins de 50 kW.h/(m².an) en énergie primaire pour le chauffage, le refroidissement, la ventilation, la production d'eau chaude sanitaire et l'éclairage (à moduler selon la région et l'altitude). La simulation numérique a un rôle important à jouer pour atteindre cet objectif.<br />Les environnements de simulation énergétique existants ont été conçus pour des bâtiments classiques pour lesquels les consommations sont beaucoup plus importantes que celles fixées pour 2012, il faut donc voir si les modèles mais aussi les méthodes de simulations utilisés correspondent toujours aux spécificités de ces nouveaux bâtiments. L'objectif de ce travail est de montrer l'intérêt d'utiliser un environnement de simulation basé sur les systèmes d'équations pour étudier le comportement énergétique des bâtiments basse consommation. <br />Pour cela, plusieurs modèles ont été implémentés dans l'environnement SIMSPARK. Il s'agit d'un modèle de matériau à changement de phase, d'un modèle de prise en compte du rayonnement de courtes longueurs d'onde par calcul de la tache solaire et d'un modèle d'échangeur air-sol. Ils ont été intégrés dans un modèle global de bâtiment basse consommation ce qui a permis de montrer les avantages de l'environnement de simulation utilisé. Le fait qu'il soit orienté objet permet de valider indépendamment les nouveaux modèles puis de les intégrer facilement à un modèle de niveau hiérarchique supérieur. Le fait qu'il soit basé sur les systèmes d'équations a permis grâce à la non orientation a priori du modèle d'inverser le sens de résolution de plusieurs problèmes dans une simulation dynamique. Enfin, la robustesse des méthodes de résolution utilisées a été éprouvée.

Les travaux présentés dans cette thèse concernent l'étude thermique des batteries Li-ion en vue d'une application de gestion thermique pour l'automobile. La compréhension des phénomènes thermiques à l'échelle accumulateur est indispensable avant de réaliser une approche de type module ou pack batterie. Ces phénomènes thermiques sont mis en évidence à partir d'une modélisation thermique globale de deux accumulateurs de différentes chimies, en décharge à courant constant. La complexité du caractère résistif de l'accumulateur Li-ion a mené au développement d'un modèle prenant en compte l'interaction entre les phénomènes électrochimiques et thermiques, permettant une approche prédictive de son comportement. Enfin la réalisation de deux boucles expérimentales, de simulation de systèmes de gestion thermique d'un module de batterie, montre les limites d'un refroidissement classique par air à respecter les critères de management thermique. En comparaison, le second système basé sur l'intégration innovante d'un matériau à changement de phase (MCP) se montre performant lors de situations usuelles, de défauts ou encore lors du besoin d'une charge rapide de la batterie. / This work relates to the thermal study of Li-ion batteries in order to develop an optimized battery thermal management system. The understanding of thermal phenomena at cell scale is essential before to undertake an approach of the battery module or pack. Galvanostatic discharges of two kind of Li ion cells are modeled to highlight thermal phenomena. The complexity of the resistive behavior of Li-ion cell led to the development of an electrochemical-thermal coupled model to get a predictive approach. Then, two experimental tests benches were designed so as to compare two battery thermal management systems (BTMS). Restrictions of air cooling highlight its disability to achieve thermal management criteria. Innovative integration of a phase change material (PCM) was then tested under several uses of the battery module. This new BTMS showed really promising performances during intensive driving cycles, failure tests, and when a fast charge is needed.

L’amortisseur thermique étudié dans le cadre de cette thèse a pour objectif de limiter les pics de température des composants électroniques fonctionnant en régime transitoire au moyen d’une structure composite consistant en un réseau de nanotubes de carbone (NTC) rempli de matériau à changement de phase (MCP) solide-liquide, le tout étant contenu dans un boîtier en silicium (Si). Ce système passif vise à augmenter l’inertie thermique volumique du composant grâce à la chaleur latente du MCP tout en maintenant une bonne conductance thermique grâce aux NTC. Un dispositif expérimental polyvalent a été développé spécifiquement pour caractériser les différentes générations d’échantillons fabriqués par les partenaires du projet THERMA3D. L’excitation thermique de l’échantillon est réalisée au moyen d’un laser en face amont et la réponse thermique est mesurée par caméra infrarouge simultanément sur les faces amont et aval. L’application d’une peinture sélectionnée sur l’échantillon permet d’accéder à sa température après un étalonnage dédié. Des méthodes d’estimation de paramètres ont été développées pour quantifier les deux caractéristiques essentielles de l’amortisseur thermique que sont sa capacité de stockage thermique et sa résistance thermique. Les sensibilités de la résistance thermique aux caractéristiques de la connexion Si/NTC et à la longueur des NTC ont été étudiées et les résistances thermiques d’interface Si/NTC ont été identifiées comme dominantes au sein du système. Des essais de cyclage thermique ont permis d’évaluer la fiabilité de l’ensemble de manière accélérée. Le comportement du MCP et la qualité du matériau de scellement ont été analysés par voie optique. Par ailleurs, la plus élevée des deux résistances thermiques d’interface Si/NTC a été localisée grâce à la visualisation infrarouge du réseau de NTC à travers le silicium semi-transparent. Enfin, une méthode de contrôle non destructif de la qualité de l’interface Si/NTC a été développée pour les amortisseurs thermiques de dernière génération. / The purpose of the studied thermal damper is to smooth the temperature peaks of transient electronic components via a composite structure consisting of an array of carbon nanotubes (CNT) filled with solid-liquid phase change material (PCM), the whole being embedded in a silicon (Si) casing. This passive system is intended to increase the thermal inertia per unit of volume of the electronic component thanks to the latent heat of the PCM while maintaining a high thermal conductance thanks to the CNT. A versatile test bench was specifically developed in order to characterize the different generations of samples fabricated by the partners of the THERMA3D project. The thermal excitation of the front side of the sample is generated by a laser and the thermal response is measured simultaneously on the front and back sides by an infrared camera. A selected paint can be deposited on the sample in order to access its temperature by means of a dedicated calibration. Parameter estimation methods were developed in order to quantify both main characteristics of the thermal damper: its heat storage capacity and its thermal resistance. The sensitivities of the thermal resistance to the features of the Si/CNT connection and to the length of the CNT were studied and it was found out that the interfacial thermal resistances Si/CNT are dominant in the system. Thermal cycling tests enabled to assess the reliability of the thermal damper in an accelerated manner. The behavior of the PCM and the quality of the sealing material were optically analyzed. Besides, the infrared visualization of the CNT array through the semi-transparent silicon enabled to identify the highest of both Si/CNT interfacial thermal resistances. Finally, a non-destructive testing method for the evaluation of the quality of Si/CNT interfaces was developed for the latest generation of thermal dampers.

A ce jour, les solutions de stockage d'énergie apparaissent comme des solutions pertinentes permettant d'atteindre les cibles énergétiques futures et de répondre aux exigences environnementales actuelles. Le but de cette thèse est d’optimiser un système de stockage d'énergie thermique innovant basé sur un échangeur eau – matériaux à changement de phase. Ce système est couplé à l’architecture énergétique multi-sources d’un îlot composé de trois bâtiments à énergie positive situé à Lyon : l’îlot HIKARI. Afin de disposer d’un outil numérique robuste pour pouvoir optimiser cette technologie, un modèle numérique du système de stockage d’énergie thermique a été développé dans le but de reproduire le comportement du système de stockage de référence. Une fois fini, le modèle a été validé en trois étapes: une numérique et deux expérimentales. Dans un premier temps il a été validé numériquement, en comparant ses résultats avec un modèle conçu en adoptant une approche numérique différente (« Computational Fluid Dynamics »), dans un second temps il a été validé à l’échelle réelle en exploitant les données in-situ du système de HIKARI. Enfin, le modèle numérique a été validé expérimentalement grâce à un prototype expérimental conçu et réalisé à l’ENTPE dans le cadre des travaux de cette thèse reproduisant le comportement du système de stockage étudié. Après avoir été validé, le modèle a été utilisé pour procéder à l’optimisation de sa performance en utilisant la technique des algorithmes génétiques. L’analyse des résultats de ces simulations a notamment abouti sur des recommandations de dimensionnement et d’usage pour l’Ilot HIKARI et des bâtiments futurs intégrant la technologie de stockage étudiée. La thèse a été financée par l’Agence de l’environnement et de la maîtrise de l’énergie (ADEME) dans le cadre du projet « Optimisation des architectures Énergétiques multi-sources couplées aux techniques avancées du stockage d'énergie dans le bâtiment » en partenariat avec Bouygues immobilier et Manaslu – CMDL. / One of the most promising technics used in building applications for energy efficiency purposes is the thermal energy storage (TES). Despite the thorough research on TES techniques of the last years, the release to market of cost effective technologies is quite recent. The aim of this study is to optimize the energetic behavior of an innovative TES technology consisting on a water/PCM exchanger that is part of the multi-energy production and storage systems of HIKARI, a positive energy district located in Lyon and consisting of three buildings. In order to optimize this innovative technic, a numerical model reproducing the functioning of the reference system was created. In order to make a numerical validation a second numerical model was developed using a different software based on a different numerical method and, once the in situ data obtained from the reference system monitoring, a first experimental validation was obtained. Subsequently, an innovative experimental prototype reproducing the behavior of the reference PCM-Water heat exchanger has been realized, in order to validate and calibrate the numerical model and carry out a large amount of operating scenarios. Once the model numerically and experimentally validated, the optimization of the HIKARI’s cold storage system technology has been obtained using Genetic Algorithms (GAs) finding the best values to allocate to four characteristics of the cold storage system, in order to minimize two predefined objective functions linked to its functioning. This work was supported by the French Agency for Environment and Energy Management (ADEME) and it was part of the project “Optimization of innovative energy storage technologies when coupled to multi-sources energy architectures”, in cooperation with Bouygues immobilier and Manaslu – CMDL.

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.

De récentes études expérimentales ont montré que les valeurs usuelles du coefficient d’échange convectif sont différentes en présence de matériaux à changement de phase. Cette thèse de doctorat porte sur l'étude numérique des échanges convectifs fluide/paroi dans une cavité ouverte en régime dynamique. Plus précisément, les parois étudiées sont une paroi avec une capacité thermique et une paroi qui contient des matériaux à changement de phase. Trois modèles distincts ont été développés. Dans un premier temps un modèle (modèle 1) qui concerne l’interaction fluide-paroi à la surface d’une paroi résistive (temperature imposée) en régime laminaire stationnaire a été développé et validé. Les résultats ont été confrontés avec la littérature. Ensuite, les échanges convectifs à la surface d’une plaque capacitive (modèle 2) soumise à une rampe de température d’air ont été étudiés. Finalement, un troisième modèle (modèle 3) a été développé, à la suite du modèle 2. Ce dernier modèle concerne l’interaction fluide-paroi à la surface d’une paroi contenant des matériaux à changement de phase en régime dynamique. Les résultats obtenus révèlent des pics locaux du flux de chaleur au cours du temps. Ce fait témoigne du changement d’état à l’intérieur de la paroi qui contient le materiau à changement de phase. De plus, les courbes des coefficients d’échanges convectifs moyens révèlent la dépendance du coefficient d’echange convectif à la capacité thermique du materiau. Par conséquent, la présence des matériaux à changement de phase à l’intérieur d'une paroi influence l’évolution et la forme de la couche limite thermique. / Recent experimental studies have shown that the usual values ​​of the convective heat transfer coefficient h are no longer valid in the presence of phase change materials. Three separate models were developed. Initially a model 1 which treats the fluid-wall (constant temperature) interaction in steady laminar flow has been developed and validated. Then, the wall with heat capacity (model 2) subjected to an air temperature ramp were studied. Finally, a third model (3) has been developed which treats the interaction fluid-wall which contains a phase change material. The results show local peaks of heat flow over time. This fact reflects the phase change inside the wall. Moreover, the curves of the convective heat transfer coefficient indicate the dependence of the coefficient h to the wall’s energy storage capacity. Therefore, the presence of the phase change materials within a wall effect and changes the shape of the thermal boundary layer.

La gestion thermique des batteries Li-ion pour le véhicule électrique est essentielle, pour assurer une autonomie et une durée de vie optimales de ces batteries. Habituellement, des circuits d'air ou de liquide de refroidissement sont utilisés comme systèmes de gestion thermique. Cependant, ces systèmes sont coûteux en termes d'investissement et d'exploitation et doivent être dimensionnés sur la puissance maximale à extraire. L'utilisation de matériaux à changement de phase (MCP) pour l’absorption sous forme de chaleur latente de la chaleur à dissiper peut représenter une alternative moins coûteuse et plus facile à utiliser. En effet, les MCP peuvent stocker passivement la chaleur excédentaire produite et être utilisés en tant que systèmes passifs. Cependant, les MCP présentent de nombreux inconvénients comme la difficulté de décharger l’énergie thermique stockée, ce qui limite l’aptitude du système au cyclage, ou encore leur conductivité thermique peu élevée qui limite les capacités d’échange. Pour résoudre le problème de la régénération des MCP, un système actif supplémentaire peut être ajouté, dimensionné sur une puissance modérée; l'ensemble devient alors un système semi-passif. Dans cette étude, un système de gestion thermique composé d'un MCP et d’air en convection forcée est évalué. Ce système permet de coupler les avantages de ces deux techniques. Une modélisation du système est développée pour une cellule de batterie. Une comparaison avec de l’air uniquement, en convection forcée, montre l'utilité du MCP. Pour augmenter la capacité d’échange du MCP, un matériau à haute conductivité thermique peut être ajouté au MCP, ce qui permet d’obtenir un composite ayant une conductivité thermique plus élevée. Des composites basés sur les MCP étudiés et des nanostructures de carbone sont élaborés, leur conductivité thermique est mesurée. Ensuite, un système expérimental simulant la dissipation d’une cellule de batterie est construit et utilisé pour évaluer le MCP seul, le MCP inclus dans une mousse métallique et le meilleur composite obtenu. Enfin, pour se rapprocher des conditions réelles, un modèle représentant un stack entier de batterie est développé, des simulations sont produites et les résultats obtenus sont commentés. / Li-ion battery thermal management is essential for electric vehicles (EVs), to ensure an optimal autonomy and lifespan of those batteries. Usually, air or coolant circuits are employed as thermal management systems. However, those systems are expensive in terms of investment and operating costs and must be dimensioned on the maximal power to be extracted. The use of phase change materials (PCMs) as latent heat storage medium allowing the absorption of the heat to be dissipated as latent heat may represent an alternative cheaper and easier to operate. In fact, PCMs can passively store the excess heat produced by a device and be used as passive systems. However, PCMs have several drawbacks like the difficulty to discharge the stored thermal load which limits the system’s cyclability or their low thermal conductivity which limits their heat transfer capacity. To solve the problem of the PCM regeneration, an additional active system can be added, dimensioned on a moderate power; the whole becomes a semi-passive system. In this study, a thermal management system composed of a PCM and forced air convection is evaluated. This system permits to combine the respective advantages of the two techniques. A model of the system is developed for one battery cell. A comparison with forced air convection only points out the usefulness of the PCM. To overcome the PCM low thermal conductivity, a highly conductive material can be added to the PCM permitting to obtain a composite with a higher thermal conductivity. Composites based on the PCMs studied and carbon nanostructures are elaborated, and their thermal conductivity is measured. Then, an experimental system permitting to simulate the dissipation of a battery cell is build and used to evaluate the PCM alone, the PCM embedded in metal foam and the better obtained composite. Finally, to be closer to the real conditions, a model representing an entire battery stack is developed, simulations are produced and the obtained results are discussed.