Etude d'un échangeur-stockeur avec matériaux à changement de phase pour le stockage d'eau chaude sanitaire

L'encombrement des ballons de stockage d'eau chaude sanitaire (ECS) est l'un des principaux freins à l'intégration de systèmes de production solaire d'ECS dans des bâtiments existants. Un stockage par chaleur latente parallélépipédique avec des matériaux à changement de phase (MCP) constitue une solution prometteuse pour réduire cet encombrement. Dans ce contexte, l'objectif de la thèse est de développer un système compact de stockage d'ECS par chaleur latente compatible avec une production solaire.Dans un premier temps, les travaux de thèse s'intéressent à l'étude du changement de phase pour des MCP compatibles avec le stockage d'ECS. Deux MCP sont étudiés : le RT58, une paraffine ne présentant pas de surfusion, et le PEG6000, un polymère sujet à la surfusion lors de son refroidissement. Les deux MCP sont caractérisés à l'aide d'un banc fluxmétrique et les propriétés thermiques sont obtenues en combinant une identification par bilans d'énergies et méthodes inverses. En tenant compte des limites des modèles existants, un premier modèle pour la modélisation analytique des MCP est proposé. Une analyse comparative avec le RT58 a mis en évidence une meilleure précision pour ce modèle comparé à ceux de la littérature. Ensuite, un second modèle représentant les phénomènes de surfusion et d'hystérésis a également été conçu. La modélisation est validée expérimentalement pour le PEG6000 avec des cycles complets et partiels de changement de phase.Les travaux de thèse s'orientent ensuite vers la modélisation du stockage par chaleur latente. Le système développé comprend un ensemble de modules assemblés en parallèle et permet un fonctionnement en charge et décharge simultanée. Les modules sont composés de deux échangeurs, l'un pour les apports solaires et le second pour les soutirages d'ECS, ainsi que d'une cavité de stockage remplie de MCP. Cette cavité est traversée par des ailettes qui assurent une intensification des transferts thermiques avec le MCP et un transfert de chaleur direct entre les deux échangeurs. Le système est modélisé en 2D et la validation expérimentale est effectuée avec deux géométries d'ailettes et différentes sollicitations thermiques. Une analyse numérique a ensuite permis d'évaluer les performances thermiques du système selon différents modes de fonctionnement.La dernière partie des travaux de thèse se concentre sur l'optimisation du stockage par chaleur latente intégré à un système de production solaire d'ECS. L'optimisation multi-objectifs vise à minimiser l'énergie consommée par l'appoint et le coût du stockage. Un métamodèle est créé pour se substituer au modèle physique et raccourcir la durée d'optimisation. Le temps de calcul restant conséquent, une période de trois jours est retenue pour effectuer les simulations. Celles-ci sont réalisées à partir du profil caractéristique de soutirage en ECS d'une maison individuelle occupée par quatre personnes. Les résultats soulignent l'intérêt d'un fonctionnement en charge et décharge simultanée pour produire de l'ECS. Pour le cas étudié, les configurations optimales permettent de satisfaire quasiment l'intégralité des besoins en ECS sans recourir à l'appoint.