La réduction des émissions de gaz à effet de serre (GES) passe par la réduction des consommations d’énergie. Le stockage de la chaleur dans les parois des bâtiments permet de réduire la consommation d'énergie. Parmi les techniques de stockage, le stockage latent a la capacité de stocker une quantité d’énergie par unité de volume plus importante qu’un système sensible. Le projet INERTRANS a proposé le développement d’une façade associant une isolation translucide et le stockage latent avec un matériau à changement de phase (MCP). La fusion du MCP s’accompagne de la convection naturelle et l’absorption ou transmission du rayonnement. Le couplage de l’ensemble de ces phénomènes n’a pas été étudié dans la littérature. Dans cette thèse un modèle numérique 2D pour l’étude du changement de phase a été développé. Ce modèle utilise la méthode de Boltzmann sur réseau (LB) à temps de relaxation multiple (MRT), pour la résolution du champ de vitesse et la méthode des différences finies, pour la résolution du champ de températures. Le changement de phase a été traité par la formulation enthalpique. L’originalité est l’application de ce modèle au problème de changement de phase avec convection naturelle, d’une part, et au changement de phase avec convection naturelle et rayonnement, d’autre part. Pour vérifier notre modèle sans rayonnement, un cas de référence de la littérature a été simulé. Il s’agit de la fusion des deux MCP, l’étain et l’octadécane, à faible et fort nombre de Prandtl, respectivement. La simulation de l’étain a confirmé un écoulement multicellulaire. La simulation de l’octadécane a montré une forte influence de la convection avec un front de fusion qui se déforme sur toute la cavité. Le nombre de Nusselt pour l’octadécane avec convection est plus de trois fois le Nusselt sans convection. La simulation de l’acide gras de la brique INERTRANS a montré que la convection ne doit pas être négligée, car le flux prédit avec convection peut être jusqu’à trois fois plus grand que le flux prédit sans convection. La fraction fondue est près du double qu’en conduction seule. La méthode LB appliquée aux transferts radiatifs a été étudiée. Il se trouve, qu’à l’état actuel cette méthode n’est pas compétitive par rapport à une méthode classique des ordonnées discrètes (MOD). Enfin, nous avons couplé la MOD pour le calcul du flux radiatif avec la méthode LB pour le calcul du champ de vitesses et des différences finies pour l’équation de l’énergie. Le rayonnement grande longueur d’onde n’a pas d’influence notable sur les transferts thermiques. Le rayonnement courte longueur d’onde augmente les transferts thermiques, pourtant, cet effet n’est pas aussi important que l’augmentation due à la convection pour le matériau choisi. Puisqu’aucune solution de référence n’existe dans la bibliographie, nos résultats peuvent désormais servir d’éléments de comparaison pour de futurs travaux. Une validation expérimentale constituerait une perspective nécessaire. / Reduction of greenhouse gas emissions requires reduction of energy consumption. Energy storage on building walls allows reduction in energy consumption. Among storage techniques, latent heat storage offers higher energy storage density than sensible heat storage. INERTRANS project has proposed the development of an innovative facade, coupling transparent insulation and energy storage with a fatty acid phase change materials (PCM). Melting of PCM comprises different phenomena, namely, natural convection in the liquid phase and radiation absorption or transmission. The coupling of all this phenomena is not still studied in scientific literature. In this thesis, a 2D numerical model for studying phase change has been developed. This model uses the lattice Boltzmann method (LBM) with multiple relaxation time (MRT) to resolve velocity field, and finite differences for the temperature field. Phase change is treated with the enthalpy formulation. The original contribution is application of this hybrid approach to the phase change with natural convection, on the one hand, and to the phase change with natural convection and radiation, on the other hand. To verify the model without radiation, a test case taken from literature has been simulated. It concerns the melting of two PCM with a low and high Prandtl number, the tin and octadecane, respectively. Tin melting simulation confirms multiple cells flow, starting with four rolls which merges in three then two rolls. Octadecane simulation shows high convection effect, with a melting front deforming all along the cavity height. Nusselt number plot for octadecane melting with convection is more than three times with conduction only. INERTRANS’ fatty acid simulation shows that convection shall not be neglected, because predicted heat flux with convection may be up to three times that predicted with conduction only. Melted fraction is almost twice than with conduction only. The lattice Boltzmann method applied to radiative heat transfer has also been explored. It turns out that in its current state, this method is not competitive compared to a conventional discrete ordinates method (DOM). Finally, we coupled the DOM for radiation heat flux, with the LBM for velocity field calculation and finite differences for the energy equation to solve the coupling between phase change, convection and radiation. Long wavelength radiation has no noticeable effect on heat transfer. Short wavelength radiation increases heat transfer, however, this increase is not as important as that produced by convection for this kind of material. Since no reference solution exists in the literature, our results can now serve as a basis for future work. An experimental validation would be a necessary perspective.

L’exploitation des énergies renouvelables est une voie nécessaire afin de lutter contre le réchauffement climatique, et afin d’anticiper la raréfaction des matières premières. Le mur capteur/stockeur solaire appliqué aux bâtiments à très basses consommations d’énergie s’inscrit dans cette volonté d’une transition vers les énergies renouvelables. Dans le cadre de ces travaux de thèse, l’énergie solaire est stockée dans des matériaux à changement de phase qui permettent un stockage de chaleur latente plus dense que le stockage sensible des matériaux de construction traditionnels. Cette énergie est restituée à l’ambiance intérieure par la circulation d’air neuf à travers l’élément de stockage. Un mur capteur/stockeur solaire a été développé en s’appuyant sur une revue bibliographique préalable des différents travaux scientifiques menés pour des problématiques similaires. Le dispositif a été expérimenté en environnement réel dans un premier temps, intégré à l’enveloppe d’un petit bâtiment en bois fortement isolé. La quantité de chaleur captée par le mur peut atteindre 2 kWh.m-2.jour-1, pour une quantité de chaleur restituée à l’air de 1,5 kWh.jour-1. Le dispositif a été testé en conditions maîtrisées de laboratoire. Une attention particulière a été portée à la mesure de température au sein même du MCP, afin d’analyser le comportement thermique de ce dernier. Deux phénomènes ont été observés : le recouvrement de la phase liquide sur la phase solide et l’homogénéisation des températures en phase liquide. Le comportement thermique du MCP dépend des interactions entre trois flux : le flux de charge (apport solaire), le flux de décharge (énergie restituée à l’air) et un flux vertical induit par le recouvrement de la phase liquide sur la phase solide. Par ailleurs, un modèle numérique dynamique du mur capteur a été développé en volumes finis. Ce modèle permet de simuler l’effet de serre du mur capteur, le stockage de chaleur et les phases de solidification et de fusion du MCP, et la restitution de chaleur à l’air entrant dans le bâtiment. Les résultats numériques alors obtenus ont été confrontés aux données expérimentales. Le modèle a été validé pour la température d’air soufflée (en sortie du mur capteur). L’écart entre valeurs expérimentales, sur des périodes journalières, est en moyenne de 0,6°C pour la température d’air soufflé et est inférieur à 10 % pour l’énergie fournie à l’air préchauffé. Ces différences sont inférieures aux incertitudes de mesures et à l’incertitude du calcul énergétique. Le modèle ainsi validé peut être couplé au code de simulation thermique dynamique du bâtiment TRNSYS. / Use of renewable energy is a necessary way to fight global warming and to anticipate scarcity of raw materials. The solar/storage wall used in buildings with lower energy consumption meets this evolution to renewable energy sources. In this thesis, solar energy is stored in a phase charge material (PCM), which provides latent storage. The latent storage is higher than sensible storage in usual building materials. This energy is restored to indoor air, by circulation and heating of inlet air through the wall storage element. In this thesis work, the solar storage wall was developed, based on previous published works dealing with similar systems. An experiment has been carried out with the solar storage integrated in a small wood building with a high insulation. The solar energy recovered by the wall reaches 2 kWh.m-2.day-1 and 1,5 kWh.day-1 was restored to air. In a second experiment, a prototype was developed to be used in controlled laboratory conditions. Special attention was given to PCM temperature measures to analyze the PCM thermal behavior. Two phenomena were observed: (i) liquid phase recovering solid phase, (ii) temperature homogenization in liquid phase. The PCM thermal behavior depends on interactions between three energetic flows: the charge flow (solar energy recovered), the restored flow (energy restored to the inlet air) and a vertical flow created by the liquid phase recovering. Furthermore, a numerical dynamic model for the solar storage wall was developed. It is based on a finite volume approach. This model simulates: (i) the ground effect in a solar wall, (ii) the thermal energy storage and phase changes, and (iii) heat recovery energy to air inlet. Numerical results were compared to experimental values. The model was validated for air temperature for daily cycle defined with a charge period (during sunning) and a continue air heating. The difference between numerical values and experimental values are lower than 0.6°C in mean temperature, and 10% in energy. This difference is lower than measurement uncertainties and energy calculation error margins. So the model is valeted and can be coupled with the dynamic thermal simulation code: TRNSYS.

Cette thèse s'inscrit dans une démarche de maîtrise de l'énergie dans le secteur du bâtiment. Elle a pour but d'utiliser des solutions passives pour atteindre de hautes performances énergétiques. Une des solutions proposée, est l'utilisation de Matériaux à Changements de Phase (MCP) dans les parois. Les matériaux à formes stabilisée solide-liquide, sont utilisés pour stocker l'énergie thermique sous forme de chaleur latente. Le but de l'étude est de mettre en évidence l'impact réel des MCP en terme de complément d'isolation thermique et de proposer un modèle thermique pour prédire son impact sur le champ de température et par conséquent, sur le confort thermique. Une séquence expérimentale en environnement naturel et à grande échelle a été menée à l'île de La Réunion, où le climat est tropical et humide, avec un fort taux d'ensoleillement. Le rayonnement solaire étant important, il est nécessaire de minimiser les sollicitations solaires sur l'ensemble du bâtiment et en particulier la toiture, qui constitue la surface la plus exposée. La présence de lames d'airs au niveau de la toiture, qualifie celle-ci de complexe. Il est alors nécessaire de proposer une modélisation adaptée. Le modèle est couplé à un code de simulation thermique du bâtiment (ISOLAB) et permet de prédire d'une part, les profils de températures de chacune des surfaces constituant l'enveloppe du bâtiment, et d'autre part, d'évaluer l'impact des MCP sur le confort thermique pour différentes configurations. Selon une méthodologie, alliant Modélisation, Expérimentation et Validation (MEV), la démarche a permis de valider l'expérimentation dédiée et d'évaluer la capacité du modèle à prédire l'ensemble des données issues de l'expérimentation. / This Ph.D thesis focusses on energy control in buildings in order to reach high energetic performances by the use of passive means. One of the proposed solution is based on the use of Phase Change Materials (PCMs). Located into walls, PCMs allow to stock thermal energy into latent heat. The aim of the study is thus to put in evidence PCMs actual impacts on the thermal field of a building and its role as thermal insulation. For these considerations, a thermal model has been developed and validated. An experimental device has been set-up for the collection of data in field environment and for a human scale. The measurement sequence has been conducted at Reunion Island, for a hot and humid tropical climate. For the determination of the thermal behaviour of a commplex wall included PCMs, we proposed a generic model, able to predict many configurations. The model has been implemented in a multizone building simulation code (ISOLAB), for the prediction of wall temperature profiles and PCMs impact on the thermal comfort. Following a combined metholodogy, including modelling and experimentation for validation, we were able to validate the model for actual conditions and to evaluate the model's prediction accuracy.

Depuis plusieurs années de nouveaux procédés industriels destinés à la réfrigération et à la climatisation sont étudiés et mis sur le marché. Parmi ceux qui commencent à connaître des débouchés commerciaux on compte les systèmes utilisant des fluides frigoporteurs diphasiques solide/liquide. Ces dispositifs offrent en effet les avantages de réduire l’utilisation des fluides frigorigènes de plus en plus réglementée et de pouvoir lisser la production de froid sur 24 heures grâce à la possibilité de stocker ces fluides diphasiques. Le domaine de la réfrigération connaît au niveau européen, grâce à plusieurs industriels, un premier essor de l’utilisation de « coulis » ou « sorbet » de glace. La climatisation industrielle ou collective représente également un enjeu énergétique majeur tant du point de vue de la consommation énergétique instantanée qu’elle nécessite que du point de vue des “pics” qu’elle génère à certaine périodes de la journée.Dans ce domaine et sur le continent asiatique (particulièrement au Japon), l’utilisation de sorbets est également en phase d’expansion. Dans ce cas, les sorbets utilisés sont des « coulis d’hydrates » qui présentent l’intérêt de cristalliser à des températures positives plus adaptées à la climatisation que celles des « coulis de glace ».Ces travaux de thèse ont donc consisté à adapter une technologie de réfrigération disponible sur le marché européen au domaine de la climatisation. Le fluide utilisé est une solution de TBAB (Bromure de Tetra-ButylAmmonium) qui est une solution aqueuse dont la température de cristallisation à pression atmosphérique peut être ajustée entre environ 6 et 12°C. Le dispositif expérimental conçu et construit est donc un prototype industriel de taille réelle capable de climatiser 4 pièces. A la fois démonstrateur industriel et banc d’essais instrumenté, il est destiné à mener à bien des séances d’essais afin de démontrer la faisabilité du procédé, de diagnostiquer des améliorations et de prévoir de nouvelles évolutions. Parallèlement aux travaux de construction et aux séances d’essais, des mesures complémentaires concernant certaines caractéristiques thermo-physiques des sorbets d’hydrates de TBAB ont été menées en laboratoire. Enfin, un outil de modélisation a également été développé afin de rattacher les expériences à des phénomènes thermo-physiques théoriques. Cette modélisation a pour but d’être un outil prédicatif à la conception de nouvelles installations et au développement du prototype. / For some years, new industrial processes have been developed and marketed in the refrigeration and air conditioning fields. Among systems which begin to have good business opportunities some are using two-phase secondary refrigerants solid / liquid. This kind of technology offers the advantages of reducing the use of classical refrigerants which are regulated and can smooth the production of cold over 24 hours with its ability to store the slurry. At the European level, thanks to the efforts of several manufacturers, the refrigeration field is developing fast with respect to the use of ice slurries. Moreover the industrial or district air conditioning field is a major energetic issue in terms of the immediate energy it requires as well as in terms of "peaks" generated during certain periods of the day.In this field, especially in Japan, the use of “PCM” (Phase Change Material) is additionally developing. In this technological segment, the PCM used are hydrate slurries. This solution has the advantage of crystallizing at positive temperatures which is more suited for the air conditioning than ice slurries.This research work deals with the adaption of a refrigeration technology available on the European market to the field of air conditioning. The fluid used is an aqueous solution of TBAB (Tetra-Butylammonium Bromide) with a crystallization temperature at atmospheric pressure which can be adjusted to a temperature between 6 and 12°C. The experimental device designed and installed is a real size prototype able to cool 4 rooms. Both the industrial demonstrator as well as instrumented test bench allowed us to carry out practice sessions which demonstrated the feasibility of the process. It also allowed us to design improvements and new developments. In parallel to the construction and the experiments, additional measurements concerning some thermo-physical characteristics of TBAB hydrate slurries were conducted in specialised laboratory. Finally, a modelling tool was also developed in order to relate our experiments with theoretical thermo-physical phenomena. This numerical model is intended to be a predicative tool for the design of new installations and for the development of the prototype.

Le travail de thèse présenté dans ce manuscrit traite du développement de dispositifs à base de dioxyde de vanadium VO₂ et de méta-surfaces dans le moyen infrarouge pour des applications passives et une intégration sur des lasers à cascade quantique (QCL). Ce travail a permis l'élaboration de nouvelles conditions de dépôt du matériau à changement de phase VO₂ par ablation laser pulsé à des températures compatibles avec les hétérostructures de III-V utilisées en optoélectronique. Les caractérisations des couches minces déposées montrent un changement de la réflectivité et de la conductivité électrique entre l'état isolant à basse température et l'état métallique à haute température autour de 68°C (341 K). Des développements ont ensuite été menés sur l'emploi d'un réseau de méta-surfaces permettant d'obtenir une couche homogène d'indice de réfraction effectif résonnant. Ces méta-surfaces sont constituées de résonateurs à anneau fendu dont la fréquence de résonance peut être ajustée par le choix de leurs paramètres géométriques et des matériaux les constituant. Une modulation optique de plus de 100cm-1 du pic de la résonance a été obtenue lors de la transition de phase avec des méta-surfaces déposées sur un film de VO₂. Ce résultat est très prometteur pour la conception de dispositifs monolithiques, robustes, compacts, accordables en fréquence et dont les propriétés optiques ne dépendent que de la température de la couche de VO₂.Enfin, ce travail étudie la fonctionnalisation des QCL dans le moyen infrarouge (7-8 µm) par des couches de VO₂ et de méta-surfaces. Il vise à comprendre l’influence des couches intégrées sur les propriétés d’émission. Afin de garantir une bonne interaction entre ces couches et le mode guidé du laser tout en ayant des pertes optiques faibles, des nouveaux guides d'onde ont été modélisés, puis les premiers QCL à base de VO₂ ont été démontrés et une température maximale de fonctionnement de 334 K a été mesurée. / The thesis work presented in this manuscript deals with the development of vanadium dioxide VO₂ and meta-surfaces based devices in the mid-infrared for passive applications and an integration on quantum cascade lasers (QCL).This work enabled the elaboration of new deposition conditions for the VO₂ phase change material by pulsed laser ablation at temperatures compatible with III-V heterostructures used in optoelectronics. The characterizations of the VO₂ coated thin films show a change in reflectivity and in electric conductivity between the insulating state at low temperature and the metallic state at high temperature around 68°C (341 K).Developments were then carried out on the use of a meta-surfaces array in order to obtain an homogeneous layer of resonant effective refractive index. These meta-surfaces are constituted by split-ring resonators, whose resonance frequency can be adjusted by choosing their geometric parameters and the materials they are made of. An optical modulation of more than 100cm-1 of the resonance peak has been obtained during the phase transition with meta-surfaces deposited on a VO₂ layer. This result is very promising for the conception of monolithic, robust, compact, frequency tunable devices and whose optical properties only depend on the VO₂ layer temperature.Finally, this work studies the functionalization of mid-infrared QCL (7-8 µm) with VO₂ and meta-surfaces layers. It aims at understanding the influence of the integrated layers on the emission properties. In order to ensure a good interaction between these layers and the laser guided mode while having low optical losses, new waveguides were modeled, then the first VO₂ based QCL have been demonstrated and a maximum operating temperature of 334 K has been measured.

Dans ces travaux de thèse on s’intéresse au développement d’un outil numérique pour résoudre le problème de conduction instationnaire avec changement de phase dans un milieu composite constitué d’une mousse de graphite infiltrée par un matériau à changement de phase tel que le sel, dans le contexte du stockage de l’énergie thermique solaire.Au chapitre 1, on commence par présenter le modèle sur lequel on va travailler. Il estséparé en trois sous-parties : un problème de conduction de chaleur dans la mousse, un problème de changement de phase dans les pores remplis de sel et une condition de résistance thermique de contact entre les deux matériaux qui est traduite par une discontinuité du champ de température.Au chapitre 2, on étudie le problème stationnaire de conduction thermique dans un milieu composite avec résistance de contact. Ceci permet de se focaliser sur la plus grande difficulté présente dans le problème qui est le traitement de la condition de saut à l’interface.Deux méthodes d’éléments finis sont proposées pour résoudre ce problème : une méthode basée sur les éléments finis Lagrange P1 et une méthode hybride-duale utilisant les éléments finis Raviart-Thomas d’ordre 0 et P0. L’analyse numérique des deux méthodes est effectuée et les résultats de tests numériques attestent des efficacités des deux méthodes [10]. Les matériaux à changement de phase qu’on étudie dans le cadre de cette thèse sont des matériaux pures, par conséquent le changement de phase s’effectue en une valeur de température fixe qui est la température de fusion. Ceci est modélisé par un saut dans la fonction fraction liquide et par conséquent dans la fonction enthalpie du matériau. Cette discontinuité représente une difficulté numérique supplémentaire qu’on propose de surmonter en introduisant un intervalle de régularisation autour de la température de fusion.Cette procédure est présentée dans le chapitre 3 où une étude analytique et numérique montre que l’erreur sur la température se comporte comme " en dehors de la zone de mélange, où " est la largeur de l’intervalle de régularisation. Cependant, à l’intérieur l’erreur se comporte comme p " et on montre que cette estimation est optimale. Cette diminution de vitesse de convergence est due à l’énergie qui reste bloquée dans la zone de mélange [58].Dans le chapitre 4 on présente quatre des schémas les plus utilisés pour le traitement de la non-linearité due au changement de phase: mise à jour du terme source, linéarisation de l’enthalpie, la capacité thermique apparente et le schéma de Chernoff. Différents tests numériques sont réalisés afin de tester et comparer ces quatre méthodes pour différents types de problèmes. Les résultats montrent que le schéma de linéarisation de l’enthalpie est le plus précis à chaque pas de temps tans dis que le schéma de la capacité thermique apparente donne de meilleurs résultats au bout d’un certain temps de calcul. Cela indique que si l’on s’intéresse aux états transitoires du matériaux le premier schéma est lemeilleur choix. Cependant, si l’on s’intéresse au comportement thermique asymptotique du matériau le second schéma est plus adapté. Les résultats montrent également que le schéma de Chernoff est le plus rapide parmi les quatre schémas en terme de temps de calcul et donne des résultats comparables à ceux des deux plus précis.Enfin, dans le chapitre 5 on utilise le schéma de Chernoff avec la méthode d’éléments finis hybride-duale Raviart-Thomas d’ordre 0 et P0 pour résoudre le problème non-linéaire de conduction thermique dans un milieu composite réel avec matériau à changement de phase. Le but étant de déterminer si un matériau composite avec une distribution uniforme de pores est assimilable à un matériau à changement de phase homogènes avec des propriétés thermo-physiques équivalentes. Pour toutes les expériences numériques exposées dans ce manuscrit on a utilisé le logiciel libre d’éléments finis FreeFem++ [41]. / In this thesis we aim to develop a numerical tool that allow to solve the unsteady heatconduction problem in a composite media with a graphite foam matrix infiltrated witha phase change material such as salt, in the framework of latent heat thermal energystorage.In chapter 1, we start by explaining the model that we are studying which is separated in three sub-parts : a heat conduction problem in the foam, a phase change problem in the pores of the foam which are filled with salt and a contact resistance condition at the interface between both materials which results in a jump in the temperature field.In chapter 2, we study the steady heat conduction problem in a composite media withcontact resistance. This allow to focus on the main difficulty here which is the treatment of the thermal contact resistance at the interface between the carbon foam and the salt. Two Finite element methods are proposed in order to solve this problem : a finite element method based on Lagrange P1 and a hybrid dual finite element method using the lowest order Raviart-Thomas elements for the heat flux and P0 for the temperature. The numerical analysis of both methods is conducted and numerical examples are given to assert the analytic results. The work presented in this chapter has been published in the Journal of Scientific Computing [10].The phase change materials that we study here are mainly pure materials and as a consequence the change in phase occurs at a single point, the melting temperature. This introduces a jump in the liquid fraction and consequently in the enthalpy. This discontinuity represents an additional numerical difficulty that we propose to overcome by introducing a smoothing interval around the melting temperature. This is explained in chapter 3 where an analytical and numerical study shows that the error on the temperature behaves like " outside of the mushy zone, where _ is the width of the smoothing interval. However, inside the error behaves like p " and we prove that this estimation is optimal due to the energy trapped in the mushy zone. This chapter has been published in Communications in Mathematical Sciences [58].The next step is to determine a suitable time discretization scheme that allow to handle the non-linearity introduced by the phase change. For this purpose we present in chapter 4 four of the most used numerical schemes to solve the non-linear phase change problem : the update source method, the enthalpy linearization method, the apparent heat capacity method and the Chernoff method. Various numerical tests are conducted in order to test and compare these methods for various types of problems. Results show that the enthalpy linearization is the most accurate at each time step while the apparent heat capacity gives better results after a given time. This indicates that if we are interestedin the transitory states the first scheme is the best choice. However, if we are interested in the asymptotic thermal behavior of the material the second scheme is better. Results also show that the Chernoff scheme is the fastest in term of calculation time and gives comparable results to the one given by the first two methods.Finally, in chapter 5 we use the Chernoff method combined with the hybrid-dual finiteelement method with P0 and the lowest order Raviart-Thomas elements to solve thenon-linear heat conduction problem in a realistic composite media with a phase change material. Numerical simulations are realised using 2D-cuts of X-ray images of two real graphite matrix foams infiltrated with a salt. The aim of these simulations is to determine if the studied composite materials could be assimilated to an equivalent homogeneous phase change material with equivalent thermo-physical properties. For all simulationsconducted in this work we used the free finite element software FreeFem++ [41].

Dans le contexte énergétique français actuel, deux principaux enjeux émergent. À court terme, des pointes de consommation électrique croissantes sont observées les dernières années pendant la période hivernale. Ces pointes sont fortement liées au chauffage électrique et ont des conséquences économiques, environnementales et sociales importantes. Dans un long terme, des objectifs environnementaux ambitieux ont été fixés au niveau national et européen, nécessitant la technologie de stockage thermique et une gestion efficace de l'environnement bâti. Les Matériaux à Changement de Phase (MCP) ainsi que les dispositifs de type échangeurs thermiques offrent des résultats promettant grâce au stockage thermique et le déplacement des consommations. Dans ce cadre, l’objectif de cette thèse est de développer des solutions de déplacement des consommations énergétiques qui prennent en compte le confort thermique des occupants et la qualité de l’air intérieur. Pour ce faire, deux outils sont nécessaires: un échangeur thermique expérimental (prototype) et un modèle numérique capable de simuler son comportement. L'échangeur contient du MCP macroencapsulé (paraffine) et est conçu de manière à faciliter son intégration dans un système de ventilation. Il a comme but de décaler la consommation due au chauffage électrique vers la période hors pointe. Le dispositif a été caractérisé expérimentalement lors des cycles thermiques complets (charge et décharge) en utilisant une quantité importante de capteurs. Il a ensuite été couplé à une cellule expérimentale, afin de tester des stratégies de contrôle préliminaires. Le modèle numérique est basé sur la discrétisation spatiale et l’établissement du bilan de chaleur des couches considérées, la méthode de la capacité thermique apparente, ainsi que l’utilisation des différences finies. Après validation à l’aide des données expérimentales, le modèle a été utilisé pour optimiser la performance de l'échangeur. Plusieurs paramètres ont été étudiés, y compris les dimensions de l'échangeur, la quantité et les propriétés du MCP, en cherchant la configuration avec le compromis optimal entre la chaleur emmagasinée et le temps nécessaire pour la charge et la décharge. Le modèle numérique a été couplé à un modèle de simulation du bâtiment et un logement de 80m2 a été conçu pour la mise en oeuvre et l'évaluation des stratégies de contrôle, en investiguant différents scénarios sur une période hivernal d’un mois. Les scénarios varient avec une complexité croissante, d'abord en considérant l’effacement énergétique et le confort thermique, ensuite en ajoutant le prix final de la consommation électrique et enfin en prenant compte la qualité de l'air intérieur avec la présence d'une famille de quatre personnes. 6 Cette étude a été menée dans le cadre d'un projet financé par l'Agence National de la Recherche (Stock-Air: ANR-Stock-E) et a également été soutenu par le ministère de l'Ecologie, du Développement durable et de l'Energie. / Considering the current French energy context, two major challenges are emerging. In the short term, significant peak power consumption has been observed in the past few years during the winter season. These peaks are strongly linked to electrical space heating and have important economic, environmental and social implications. In the long term, ambitious environmental goals have been set at national and European levels, requiring thermal storage technology and efficient management of the built environment. As part of the solution, Phase Change Materials (PCM) and heat exchanger applications offer promising results through thermal storage and load shifting techniques. Within this framework, the objective of this thesis is to develop load shifting solutions which also take into account the thermal comfort of the occupants and the indoor air quality. To achieve this, two tools were necessary: an experimental heat exchanger unit (prototype) and a numerical model that accurately simulates its behavior. The exchanger contains macroencapsumated PCM (paraffin) and is conceived in a way that facilitates its integration in a ventilation system. It is aimed to shift space heating electrical consumption from peak to off-peak period. The unit was experimentally characterized, using an important amount of sensors through full thermal cycles (charging and discharging) and was coupled to an experimental test cell, which led to the testing of preliminary control strategies. The numerical model is based on the heat balance approach and the apparent heat capacity method, using finite differences for differential equation solution under Matlab/Simulink environment. After validation with experimental data, the model was used to optimize the performance of the exchanger. Several parameters were investigated, including heat exchanger dimensions, PCM quantity and properties, seeking the configuration with the optimal compromise between stored heat and the time needed for the charging / discharging process. The numerical model was coupled to a building simulation model and an 80m2 dwelling was conceived for control strategies implementation and evaluation, by investigating different scenarios over a one- month winter period. The scenarios vary with increasing complexity, first considering load shifting and thermal comfort, then adding the final price of electricity consumption and finally taking into account the indoor air quality with the presence of a four-person family. This study has been conducted within the framework of a project funded by the French National Research Agency (Stock-Air: ANR-Stock-E) and was also financially supported by the French Ministry of Sustainable Development.

Nous développons dans ce travail de thèse un outil de simulation numérique pour les matériaux à changement de phase (MCP), en tenant compte du phénomène de convection naturelle dans la phase liquide, pour des configurations en deux et trois dimensions. Les équations de Navier-Stokes incompressible avec le modèle de Boussinesq pour la prise en compte des forces de flottabilité liées aux effets thermiques, couplées avec une formulation de l’équation d’énergie suivant la méthode d’enthalpie, sont résolues par une méthode d’éléments finis adaptatifs. Une approche mono-domaine, consistant à résoudre les mêmes systèmes d’équations dans les phases solide et liquide, est utilisée. La vitesse est ramenée à zéro dans la phase solide, en introduisant un terme de pénalisation dans l’équation de quantité de mouvement, suivant le modèle de Carman-Kozeny, consistant à freiner la vitesse à travers un milieu poreux. Une discrétisation spatiale des équations utilisant des éléments finis de Taylor-Hood, éléments finis P2 pour la vitesse et éléments finis P1 pour la pression, est appliquée, avec un schéma d’intégration en temps implicite d’ordre deux (GEAR). Le système d’équations non-linéaires est résolu par un algorithme de Newton. Les méthodes numériques sont implémentées avec le logiciel libre FreeFem++ (www.freefem.org), disponible pour tout système d’exploitation. Les programmes sont distribués sous forme de logiciel libre, sous la forme d’une forme de toolbox simple d’utilisation, permettant à l’utilisateur de rajouter d’autres configurations numériques pour des problèmes avecchangement de phase. Nous présentons dans ce manuscrit des cas de validation du code de calcul, en simulant des cas tests bien connus, présentés par ordre de difficulté croissant : convection naturelle de l’air, fusion d’un MCP, le cycle complet fusion-solidification, chauffage par le bas d’un MCP, et enfin, la solidification de l’eau. / In this thesis we develop a numerical simulation tool for computing two and three-dimensional liquid-solid phase-change systems involving natural convection. It consists of solving the incompressible Navier-Stokes equations with Boussinesq approximation for thermal effects combined with an enthalpy-porosity method for the phase-change modeling, using a finite elements method with mesh adaptivity. A single-domain approach is applied by solving the same set of equations over the whole domain. A Carman-Kozeny-type penalty term is added to the momentum equation to bring to zero the velocity in the solid phase through an artificial mushy region. Model equations are discretized using Galerkin triangular finite elements. Piecewise quadratic (P2) finite-elements are used for the velocity and piecewise linear (P1) for the pressure. The coupled system of equations is integrated in time using a second-order Gear scheme. Non-linearities are treated implicitly and the resulting discrete equations are solved using a Newton algorithm. The numerical method is implemented with the finite elements software FreeFem++ (www.freefem.org), available for all existing operating systems. The programs are written and distributed as an easy-to-use open-source toolbox, allowing the user to code new numerical algorithms for similar problems with phase-change. We present several validations, by simulating classical benchmark cases of increasing difficulty: natural convection of air, melting of a phase-change material, a melting-solidification cycle, a basal melting of a phase-change material, and finally, a water freezing case.